基于工业CT的GIS绝缘拉杆缺陷检测方法

章学兵，骆国防

(1.国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799；2.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

绝缘拉杆作为GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)断路器中的关键部件，其作用是将运动从接地部分传送到高电位部分，同时传递拉伸和扭转载荷，实现电气上的通断。由于断路器分、合操作频繁，故要求绝缘拉杆有较高的绝缘性能、机械性能及良好的疲劳性能[1]。

GIS用绝缘拉杆几乎全部采用纤维增强的环氧材料，该材料具有机械强度高、绝缘性能好、耐热性好等优点，可以与环氧树脂良好结合，再结合真空浸胶工艺，使得绝缘拉杆内部含气量小，均匀性好，成品呈现较高的击穿电压[2-3]；采用芳纶纤维和聚酯纤维增强材料制作的绝缘拉杆，成型后呈空心管状，具有质量轻、机械操作功小等优点，已成为绝缘拉杆的主要型式[4-5]。由于生产工艺控制过程中存在不确定因素，绝缘拉杆成品中可能会存在气孔、分层、空隙、裂纹等缺陷。这类缺陷会引发绝缘拉杆放电击穿事故，给电力系统造成一定损失，严重威胁电网安全稳定运行[6-13]。

通过查阅GIS断路器用绝缘拉杆应用现状、生产工艺、出厂试验以及运行缺陷检测的相关文献，笔者对GIS用绝缘拉杆的质量检测方法进行梳理，发现当前绝缘拉杆产品尚无统一的检测规范，且各厂家对于绝缘拉杆产品的出厂检测都不够全面，对材料及工艺方面的检测尤为欠缺，这导致绝缘拉杆在实际使用过程中经常出现不同程度的质量问题，对其可靠性造成一定影响[14-19]；而电气试验及机械试验并不能保证绝缘拉杆的质量，因此，提出用工业CT来检测绝缘拉杆中的缺陷，并通过试验验证该方法的可行性和有效性。

1 绝缘拉杆结构

选用的绝缘拉杆试件为上海某110 kV变电站126 kV GIS设备中绝缘拉杆的同批次产品，产品型号为ZF21A-126,其采用空心管状结构，试件结构如图1所示。

图1中金属嵌件材料为铝合金，直径为45 mm；真空浸胶圆管由芳纶纤维增强环氧树脂复合材料制成(由环氧树脂加液体酸酐组成的胶黏剂和无碱无捻的玻璃布复合而成)，厚度为4 mm。真空浸胶圆管中间部位有一个直径为5 mm的孔，以连通真空浸胶管内部及GIS闸刀气室；端部金属嵌件间距为68 mm。

图1 绝缘拉杆试件结构示意

受芳纶纤维分层布置造成的材料各向异性的影响，绝缘拉杆材料性能方面的检测比较困难。目前各厂家对绝缘拉杆的大多数试验项目都只是关注其电气和机械性能，常规的试验项目有外观检查、工频耐压和局放试验、热试验、力学性能试验、机械寿命试验、雷电冲击试验等。通过对绝缘拉杆现场运行事故进行分析可知，常规试验项目并不能保证绝缘拉杆的质量[14]，更难以检出材料及工艺方面的缺陷。

2 绝缘拉杆检测方法

绝缘拉杆的材料质量及工艺控制是决定其质量的重要因素。目前，绝缘拉杆材料及工艺方面的质量检测主要依靠无损检测。由于绝缘拉杆黏接部位存在两种壁厚相差非常悬殊的材料(环氧树脂/铁或铝合金)，生产厂家最常用的方法是常规射线检测(RT)和数字X射线成像检测(DR)，由于RT和DR的检测结果都是二维图像，微小缺陷和层间面积型缺陷容易漏检，绝缘拉杆的质量控制效果并不理想；而工业CT能发现平面内任何方向分布的缺陷，检测图像层次分明、不重叠，适用于绝缘拉杆黏接部位的层间缺陷检测。

工业CT通过多角度透照，对获得的图像进行逆向重构，得到带几何坐标(平面或三维)的点灰度集合，以此实现工件空间连续性(缺陷检测)、密度连续性(密度测量)、几何尺寸、孔隙率等参数的检测。工业CT透照系统结构示意如图2所示。

图2 工业CT透照系统结构示意

相比RT和DR检测，工业CT能得到被检工件的密度分布图，且检测图像呈三维立体状，可以对检测图像进行增强、分析、压缩、存档等处理，也可作为数据输入计算机进行计算，还可以进行远距离传输观测。通过适当的校准方法，工业CT能准确地测出被检试件的几何尺寸和密度，还能帮助识别材料成分，提供精确的电子密度和原子序数图像。

工业CT扫描方式如图3所示，检测时在一个视角下扫描试件整个断面，一次采样该视角下的完整投影；投影数据通过雷当反变换，并经过迭代重建算法或解析重建算法的处理可实现图像重建。这些优点，使得工业CT能对绝缘拉杆进行全方位、立体的扫描，尤其是能扫描到处于薄弱环节的环氧树脂与金属黏接部位。

图3 工业CT扫描方式示意

3 试验验证

为验证工业CT在检测绝缘拉杆缺陷方面的可行性和有效性，选取编号为1#的126 kV GIS开关设备绝缘拉杆为试验对象(见图4)，分别采用RT、DR和工业CT方法对其进行缺陷检测。

图4 1#绝缘拉杆试件实物

3.1 RT检测结果

RT检测参数设置如表1所示，1#试件的RT检测结果如图5所示。由图5可知，1#绝缘拉杆试件的环氧树脂层、铝合金嵌件以及黏接部位未显示出气孔、空隙、分层、裂纹等缺陷；图5中管体处阴影为连通真空浸胶管内部及GIS闸刀气室的直径为5 mm的孔。

表1 RT检测参数设置

图5 1#试件的RT检测结果

3.2 DR检测结果

DR检测参数设置如表2所示，1#号试件的DR检测结果如图6所示。由图6的结果可见，1#绝缘拉杆试件的环氧树脂层、铝合金嵌件以及黏接部位未显示出气孔、空隙、分层、裂纹等缺陷；管壁中间阴影及管体中间白影为连通真空浸胶管内部及GIS闸刀气室的直径5 mm的孔。

表2 DR检测参数设置

图6 1#试件的DR检测结果

3.3 工业CT检测结果

3.3.1 1#绝缘拉杆的检测

工业CT检测参数设置如表3所示，1#绝缘拉杆试件缺陷的CT三维检测结果如图7所示，试件缺陷的长度、高度、宽度的检测结果如图8～10所示。

表3 工业CT检测参数设置

图7 1#试件缺陷的CT三维检测结果

图8 1#试件缺陷长度检测结果

图9 1#试件缺陷高度检测结果

图10 1#试件缺陷宽度检测结果

由图7～10可以看出，1#绝缘拉杆试件中环氧树脂与铝合金嵌件黏接部位存在一条空隙，具体尺寸为12.524 mm× 0.357 mm ×3.733 mm(长×宽×高)。

对比1#试件的RT、DR与工业CT检测结果发现，RT和DR方法均未检测出绝缘拉杆中环氧树脂与铝合金嵌件黏接部位的空隙缺陷，而工业CT检测发现了该处缺陷，并给出了缺陷位置及具体尺寸。初步分析得出工业CT检测比RT、DR检测更有效、更精准的结论。

3.3.2 2#绝缘拉杆的检测

为验证工业CT对GIS用绝缘拉杆缺陷的检出效果，对如图11所示编号为2#的绝缘拉杆试件进行工业CT检测。工业CT系统参数设置与表3相同，2#绝缘拉杆试件缺陷的CT三维检测结果如图12所示，其缺陷的长度、高度、宽度的检测结果如图13～15所示。

图11 2#绝缘拉杆试件实物

图12 2#试件缺陷的CT三维检测结果

图13 2#试件缺陷长度检测结果

图14 2#试件缺陷高度检测结果

图15 2#试件缺陷宽度检测结果

由图1215可以看出，2#绝缘拉杆试件中环氧树脂与铝合金嵌件粘接部位也存在一条空隙，具体尺寸为39.598 mm×0.337 mm×4.177 mm(长×宽×高)。

1#和2#绝缘拉杆试件的工业CT检测结果表明，工业CT能准确发现绝缘拉杆黏接部位的空隙缺陷，精准判定缺陷性质，并给出缺陷的位置及几何尺寸。试验结果验证了工业CT检测绝缘拉杆缺陷的可行性和有效性。

4 结语

文章结合绝缘拉杆的构造特点提出采用工业CT的方法检测绝缘拉杆中的缺陷，并通过对比绝缘拉杆试件的RT检测、DR检测和工业CT检测结果，得出以下结论。

(1) 工业CT可以准确发现绝缘拉杆中环氧树脂与金属嵌件黏接部位不同方向的缺陷，检测图像层次分明、不重叠。

(2) 工业CT可以判定绝缘拉杆中的缺陷性质，精准给出缺陷的位置和几何尺寸。

(3) 该研究为绝缘拉杆缺陷检测提供了新的思路，对提升GIS开关设备质量及保障电网安全稳定运行具有重要意义。