GIS盆式绝缘子模拟缺陷的X-DR成像检测

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(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院,广州 510080； 2. 湖南大学 电气与信息工程学院,长沙 410082)

在电网建设中，变电站将逐渐向小型化、大容量方向发展，其中GIS(气体绝缘全封闭组合电器)由于具有大容量、占地面积小的特点而被广泛采用。目前，我国110 kV及以上电压等级的变电站大都使用GIS设备，GIS设备的多种优点使得其在高电压等级的变电站建设中成为首选。近年来，在造成GIS故障的因素中，由于盆式绝缘子故障造成的停电事故的比例不断升高，并且往往造成严重的事故。因此，加强盆式绝缘子厂家的出厂检测和定期线上检测就显得尤为重要[1-4]。

盆式绝缘子是以改性环氧树脂为主，渗入氧化铝颗粒，通过真空浇筑工艺形成的一种复合材料。质量符合要求的盆式绝缘子，其内部应不含气孔和裂纹。盆式绝缘子在装配前必须通过尺寸检查、工频耐压、局部放电、射线检测、气密试验、水压试验、表面质量检查等工序，测试合格后才能装配到设备上。

由于盆式绝缘子的材料和安装位置的特殊性，目前尚没有一种有效的方法对线上的盆式绝缘子进行快速检测。笔者针对盆式绝缘子常见的裂纹和气孔缺陷进行模拟，利用X射线DR成像技术对其进行可视化无损检测，试验结果表明，这两类缺陷均可识别。该技术可在不需要拆解和破坏GIS设备的情况下实施检测，极大地降低了检测的人工和时间成本，提高了检测结果的可靠性及准确性，由于不需要打开GIS设备，因此也减少了SF6气体泄漏的风险，保证了维修人员的安全[5]。

1 盆式绝缘子射线检测工艺试验方案

近年来，研究人员在GIS设备无损检测方面进行了深入的研究，例如在断路器、开关以及母线等方面的检测都取得了丰硕的成果，但是在盆式绝缘子无损检测方面的成果比较少。这一方面是因为盆式绝缘子特殊的材料导致了其缺陷不易被发现；另一方面是由于其安装位置比较特殊，也导致其缺陷难以被发现[6-7]。GIS设备中通常用到的盆式绝缘子主要有三相盆式绝缘子和单相盆式绝缘子两种(见图1)。

图1 单相盆式绝缘子和三相盆式绝缘子结构示意

在GIS中母线需要贯穿整个GIS设备，在母线穿过每个SF6气室时，需要用盆式绝缘子将母线支撑以及隔离每个气室，因此盆式绝缘子会受到拉力以及超高压的作用，如果盆式绝缘子出厂时有气泡或者裂纹，在这种作用下就会造成盆式绝缘子被击穿，以及发生停电的严重事故[8]。盆式绝缘子材料为环氧树脂和氧化铝组成的复合材料，在生产过程中受温度和工艺固化的影响，两种组成材料的分布不均匀，会形成密度差异，绝缘子受到高压之后，内部应力差异明显，应力过大将使绝缘子开裂，易在盆壁以及导体与盆壁连接处(图1中三角形所示的位置)形成裂纹或气孔。在母线安装过程中，由于人为因素，可能有金属环或金属丝等掉落，也就是会产生异物。总体而言，因为生产工艺的不完善以及装配不到位，盆式绝缘子常会出现裂纹、气孔和异物等缺陷。

采用的盆式绝缘子为220 kV单相盆式绝缘子和110 kV三相盆式绝缘子。盆高在20～40 cm之间，厚度在5～9 cm之间，且图1(a)中单相盆式绝缘子的直径在46 cm左右，图1(b)中三相盆式绝缘子的直径在66 cm左右，远大于射线成像板的直径，故无法实现在一张射线图像上呈现整个绝缘子的图像，必须经过多次旋转透照才能遍历整个绝缘子，这也增加了故障检测的难度。采用实时成像以及工作台的360°旋转来实现故障的查找定位，既可实现整个绝缘子的透照，也能实时观察故障位置[9-10]。

X射线图像质量直接影响着对被检物体缺陷类别、大小的识别[11]。在对GIS设备进行检测时，最重要的目的是拍出故障设备清晰的照片，并且能够通过照片准确地判别出故障出现的部位以及故障对用电安全的破坏程度，这也为检测人员分析故障发生的原因，排除故障隐患，保障用电安全提供了强有力的支撑。因此如何调整X射线机参数，从而拍摄出高质量的图像成为检测人员需要解决的首要问题[12]。X射线技术最成功的应用就是在医学领域，同时其在工业检测方面的应用也越来越成熟，将其应用于电气设备的无损检测中也成为热点方向。

在进行盆式绝缘子射线检测时，X射线机的焦距F、曝光时间T、管电流I、管电压U、检测时的角度和方向等参数对X射线数字图像质量有重要影响。如先将方向固定，选取每个因素3个水平(3个不同值)时，则需要做多达243次试验；选取每个因素4个水平时，则需要做多达4 096次试验。为了提高试验效率，快速而准确地分析各个因素对X射线图像的影响程度，得到最优的成像条件，采用正交试验法对其进行了多组试验以达到得出最优参数的目的。

对盆式绝缘子进行射线无损检测时，在透照方向上拟分为两个区域,即中心导体区域和盆壁区域。原则上射线束应垂直于透照区域表面，盆式绝缘子不同照射方向如图2所示。同时，在每个照射方向变化角度，通过试验可获得各照射方向下照射角度的推荐参数。

图2 盆式绝缘子不同照射方向示意

射线检测是利用不同物体对射线的吸收率不同的特性来实现检测的。不同物体之间密度差距越大，相邻位置的明暗区别就越明显，影像对比度越大。对盆式绝缘子进行射线检测时，射线所经过的路线如图3所示。盆式绝缘子是一种复合材料，密度大小和对射线的吸收率都介于空气与金属之间，从而缺陷与盆式绝缘子本身对射线的衰减程度不一样，在射线影像上就会形成对比，故而可以通过X射线图像识别故障。盆式绝缘子的射线检测流程图如图4所示。

图3 射线检测盆式绝缘子时经过路径示意

图4 盆式绝缘子的射线检测流程图

2 盆式绝缘子模拟缺陷X射线检测工艺参数确定

试验采用奥龙公司的X射线检测平台。该检测系统机械部分由铅防护房、架子、C型臂、检测平台等部件组成。其工作参数为：管电压225 kV，大焦点时管电流为8.0 mA，小焦点时管电流为3.5 mA，频率为40 kHz，且实时成像状态下最大穿透厚度(A3钢)为30 mm。试验采用小焦点。

由于盆式绝缘子面积过大，远大于设备成像板的面积，故一次只能透射出成像板面积大小的绝缘子部分图像，但是由于工作台可以旋转，故依然能够分别获取绝缘子各个部位的图像。

2.1 裂纹的X-DR检测

图5为带模拟裂纹缺陷的220 kV三相盆式绝缘子外观，该绝缘子上有宽度为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 mm的模拟裂纹，裂纹由激光蚀刻方法制成，深度仅为0.1 mm。GIS设备的故障绝缘子裂纹可能有各种形状，试验暂且只做了直线的模拟，裂纹宽度及深度均比较小，对于射线的入射方向要求极高，且三相盆式绝缘子的直径相对过大，而实验台面积有限，故对其进行了单独照射。裂纹检测试验现场如图6所示。

图5 带模拟裂纹缺陷的220 kV三相盆式绝缘子外观

图6 裂纹检测试验现场

图7 正交试验法得到的最优裂纹X-DR射线透照结果

对现场设备进行调试，根据试验图像中裂纹的清晰程度和射线机的最大功率得出了各曝光参数对试验的影响程度(见表1)。通过正交试验法进行了多组试验，得到的最优裂纹X-DR射线检测结果如图7所示。

表1 X-DR射线检测参数对220 kV三相盆式绝缘子检测结果影响程度

2.2 气孔的X-DR检测

图8为带模拟气孔缺陷的110 kV单相盆式绝缘子外观，图上的气孔由机械方法成孔。气孔直径为2 mm，深度为1 mm，相对绝缘子本身的直径和厚度，这个尺寸是非常小的，故在影像上的区别非常小。气孔检测试验现场如图9所示，进行了GIS套筒模拟试验。

图9 气孔检测试验现场

对现场设备进行调试，根据试验图像中气孔的数量和射线机的最大功率得出了各曝光参数对试验的影响程度(见表2)。通过正交试验得到的最优气孔X射线透照结果如图10所示。

图10 正交试验法得到的最优气孔X射线透照结果

影响程度管电压/kV管电流/mA曝光时间/s角度/(°)11902．05022002．510532103．0151042203．52015

从图7和图10可以清晰地看到裂纹和气孔类的缺陷。通过像质计数据对比可识别裂纹等级最小为0.162 mm级别，而由于气孔是斜射透照检测的，可看到的气孔形状有些许偏斜。通过以上X-DR射线检测技术试验验证了用X-DR射线成像技术检测盆式绝缘子裂纹和气孔类缺陷的可行性。

利用正交试验软件对表1和表2分析得到各参数对试验结果的影响程度的主次顺序为：曝光时间、管电流、管电压、角度。从中心照射220 kV盆式绝缘子的X射线机的最优参数为管电压120 kV,管电流3 mA,曝光时间15 s,角度15°;从盆壁方向照射110 kV盆式绝缘子的X射线机的最优参数为管电压220 kV，管电流2 mA，曝光时间20 s，角度0°。

2.3 实际产品检测效果分析

在上述试验得到的110 kV和220 kV盆式绝缘子X射线机检测最优参数的基础上，进行了室内实际GIS产品的检测。以模拟工艺参数为中心上下调节，盆式绝缘子透照结果如图11所示。从图11中可以清晰地看到精细螺纹以及一些导体，由于未进行裂纹和气孔等的刻划，故可以看到绝缘子表面影像均匀一致。由于GIS成套设备的拆卸成本太高、风险较大，故没有进行故障模拟，只进行了设备的透照检查，但这足以说明X-DR射线检测用于盆式绝缘子的定期检测以及故障识别是可行的。

图11 盆式绝缘子X-DR射线透照结果

3 结语

在不拆解、不破坏GIS设备的前提下，通过试验验证了利用X射线DR无损检测技术识别盆式绝缘子裂纹和气孔缺陷的可行性。同时，通过正交试验法论证了X射线机各参数对试验结果的影响程度，曝光时间和管电流对检测灵敏度影响较大。X射线透照图像对于宽度较窄，深度较浅的裂纹和气孔不是很明显，这也说明了X-DR射线检测技术对盆式绝缘子的检测还不够完善，目前尚无法全部适用，仍需寻求一些辅助方法。但该技术极大地降低了检测成本，提高了检测结果的准确性，且减少了SF6气体泄漏的风险，保证了维修人员的安全。

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《无损检测》编辑部

2017年12月