X射線數(shù)字成像技術在GI S設備檢測中的應用

陳浩盟

（廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東東莞 523000）

0 引言

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展和壯大，GIS設備以其運行穩(wěn)定、結構緊湊、受外界干擾小等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用。GIS設備由斷路器、隔離開關、絕緣子、母線、互感器、避雷器等組成，其中斷路器、隔離開關和絕緣子是GIS的關鍵元件，也是故障的高發(fā)部位。經(jīng)廣東電網(wǎng)公司統(tǒng)計，GIS投運后，隔離開關、絕緣子和斷路器的故障發(fā)生率分別為30%、26.6%和15%。若GIS設備采用SF6氣體絕緣、金屬封閉技術，目前在缺陷發(fā)生時缺乏有效的檢測手段。而采用X射線數(shù)字成像技術，通過對故障易發(fā)部位進行透照成像，可以有效發(fā)現(xiàn)分合閘不到位、絕緣件裂紋、螺絲松動、觸頭燒毀、異物碎屑等問題，在故障未擴大之前對其進行更換處理，防止大規(guī)模停電事故的發(fā)生。

1 X射線的產(chǎn)生及成像原理

1.1 X射線的產(chǎn)生機理

當高能電子流撞擊金屬靶時，電子在原子核的強電場作用下，速度的量值和方向都將發(fā)生急劇變化（大幅減速），一部分動能轉(zhuǎn)化為光子的能量輻射出去，形成軔致輻射。如果電子能量很大，比如上萬電子伏特，就可以產(chǎn)生X射線[1]。

1.2 射線照相技術原理

當X射線在傳播過程中遇到障礙物時，會穿透障礙物繼續(xù)傳播，但在穿透過程中會發(fā)生吸收和散射作用而減弱，主要表現(xiàn)形式為光電效應、康普頓效應、電子對效應和瑞利散射。其中光電效應產(chǎn)生光電子和熒光（特征）X射線，康普頓效應產(chǎn)生反沖電子和散射光子，電子對效應將入射光子轉(zhuǎn)化為一個正電子和負電子，瑞利散射產(chǎn)生與入射X射線能量相同的相干光[2]。

在透射線的路徑上放入膠片，透射線會在膠片上感光形成潛影，經(jīng)沖洗后形成黑度與射線照射量正相關的底片。若被透照物體的局部存在缺陷，且構成缺陷的物質(zhì)的衰減系數(shù)又不同于物體的衰減系數(shù)，該局部區(qū)域的透射線強度就會與周圍產(chǎn)生差異。因此，根據(jù)底片相關部位黑化程度的差異，可判斷是否有缺陷。

2 X射線數(shù)字成像系統(tǒng)

傳統(tǒng)的X射線成像技術是采用感光膠片成像，隨著信息技術的不斷發(fā)展，目前形成了較為簡潔高效的X射線數(shù)字成像技術，主要分為計算機X射線成像（CR）和數(shù)字射線成像（DR）兩種類型。

CR技術用成像板（IP板）記錄影像信息，利用IP板上的熒光物質(zhì)對入射X射線進行記錄，通過掃描儀對記錄信息進行讀取，最后將讀取數(shù)據(jù)傳輸至電腦成像。DR技術是由平板探測器直接接收X射線圖像信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將物理信號變?yōu)閿?shù)字信號，最后傳輸至電腦成像。由于DR技術沒有中間環(huán)節(jié)，成像質(zhì)量高、速度快，因此成為X射線數(shù)字成像技術的發(fā)展趨勢[3]。

3 影響X射線成像的因素

X射線最大的特點是其能在感光系統(tǒng)（屏片系統(tǒng)、探測器等光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）產(chǎn)生有效影像。根據(jù)穿過障礙物的透射線強度的不同，其在感光系統(tǒng)上形成影像的黑度也不同。透射X射線能量越大，強度越強，影像的黑度越高；反之，黑度越低。X射線攝影感光效應與感光因素之間的關系如下：

式中：K為固定不變的感光因素常數(shù)；V為管電壓；n為管電壓指數(shù)；I為管電流；t為曝光時間；r為攝影距離[4]。

3.1 管電壓與穿透力

由式（1）可知，感光效應與管電壓的n次方成正比。這說明管電壓越高，到達成像系統(tǒng)的X攝像能量越大，X射線的穿透力越強，從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，當管電壓不變時，X射線感光強度與輻射強度和時間的乘積相關。因此，想要改變底片黑度，需要配合調(diào)整管電流和曝光時間的數(shù)值，使總曝光量改變。

3.3 平方反比定律

由式（1）可知，透射X射線的強度與攝影距離r的平方成反比，因此可根據(jù)射線能量的大小選擇合適的成像距離[5]。

4 透照工藝參數(shù)的選擇

4.1 檢測技術等級的選擇

射線檢測技術分為三級：A級——低靈敏度技術；AB級——中靈敏度技術；B級——高靈敏度技術。承壓設備焊接接頭的射線檢測，一般應采用AB級射線檢測技術進行檢測；對重要設備、結構、特殊材料和特殊焊接工藝制作的焊接接頭，可采用B級技術進行檢測；當檢測條件不能滿足AB級射線檢測技術的要求時，經(jīng)合同雙方商定，在采取有效補償措施（例如選用更高類別的膠片）后，可采用A級技術進行射線檢測，但應同時采用其他無損檢測方法進行補充檢測[6]。

4.2 焦距的選擇

為保證射線照相的清晰度，標準對透照距離的最小值有限制。在我國現(xiàn)行NB/T 47013標準中，規(guī)定透照距離f與焦點尺寸df和工件至膠片距離（透照厚度）b應滿足以下關系[7]：

A級：

確定透照距離后，焦距F由公式F=f+b計算得出。在實際工作中，焦距的最小值通常由諾模圖查出。實際透照時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。這是因為透照場的大小與焦距相關，焦距增大后，透照場范圍增大，這樣可以得到較大的有效透照長度，同時影像清晰度也進一步提高。

4.3 射線能量的選擇

在保證穿透力的前提下，X射線照相應選用較低的管電壓。在采用較高管電壓時，應保證適當?shù)钠毓饬俊２煌牧稀⒉煌刚蘸穸认略试S采用的最高X射線管電壓可通過查找《承壓設備無損檢測第2部分：射線檢測》（NB/T 47013.2—2015）導則的第5.6.4條獲得[8]。

5 X射線數(shù)字成像檢測案例

5.1 220 kV斷路器X射線數(shù)字成像檢測

5.1.1 缺陷檢測過程

2021年6月，某220 kV變電站變高開關A相發(fā)現(xiàn)分閘異常，隨后對該開關進行X射線檢測，圖像如圖1所示。

圖1 A相開關成像

X射線成像結果顯示，A相開關弧觸頭位置異常，分閘狀態(tài)下仍伸出靜觸座。同時，發(fā)現(xiàn)靜觸座內(nèi)上部靠近齒條處有螺絲缺失。

5.1.2 X射線成像對缺陷原因的初步判斷

X射線成像結果顯示，斷路器在分閘狀態(tài)下弧觸頭仍伸出靜觸座，表示內(nèi)部傳動機構已發(fā)生異常。同時，靜觸座上部螺絲缺失，此處為限位螺絲所在部位，表明限位螺絲缺失后撥叉與推拉桿或齒條的配合已失靈。

5.1.3 設備解體情況

2021年8月，對故障開關進行解體，發(fā)現(xiàn)大噴口已斷裂。同時，靜觸座內(nèi)限位螺絲缺失，撥叉轉(zhuǎn)過位，推拉桿銷子無法進入撥叉叉槽，形成卡阻。經(jīng)過綜合分析，此次缺陷的原因為限位螺絲缺失導致?lián)懿婧祥l轉(zhuǎn)過位，當再次分閘時推拉桿銷子無法進入撥叉叉槽，形成卡阻。此時，動觸頭同時受到分閘操作力和卡阻力的作用，在薄弱的大噴口處斷裂。最終造成斷路器傳動裝置失靈，分閘時弧觸頭停留在靜觸座端面以下60 mm的位置。

綜上，X射線成像對缺陷原因的判斷與實際情況相近。

5.2 220 kV隔離開關數(shù)字成像

5.2.1 檢測過程

2019年11月，某220 kV變電站對隔離刀閘進行X射線成像檢測，部分典型成像圖如圖2、圖3所示，各刀閘合閘深度如表1所示。由圖2、圖3及表1可知，兩臺隔離開關都存在三相合閘深度不一致的問題，部分相合閘深度偏差較大。

圖2 22014刀閘合閘X射線成像

圖3 226PT合閘X射線成像

表1 各刀閘合閘深度

5.2.2 開蓋檢修情況

2020年3月，我局對X射線成像不合格刀閘進行了開蓋檢修處理，發(fā)現(xiàn)部分刀閘電動機齒輪松動，部分刀閘連結螺栓脫落，導致傳動連桿未能完全抬升。由此可見，X射線成像結果與實際故障相符。

6 結語

X射線數(shù)字成像技術為GIS設備的故障檢測提供了可視化、無損化的診斷方法，解決了GIS設備內(nèi)部隱患難以有效識別的問題。同時，因其能在不停電的情況下對GIS設備進行成像，從而提高了設備運行的可靠性和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，成為繼帶電測試、在線監(jiān)測技術后又一可靠手段。目前，X射線成像技術仍存在著受透射方向影響大、難以檢測橫向裂紋以及輻射量大對人體有害的問題，因此，開發(fā)立體化、自動化、集約化的X射線檢測系統(tǒng)將成為今后的發(fā)展方向。