X射線成像技術在組合電器中的應用研究

王 大 義， 孫 家 孝， 蔣 昊 巍 ， 李 均

(四川革什扎水電開發有限責任公司，四川 丹巴 626300)

1 概 述

組合電器(GIS)設備是以SF6氣體為絕緣和滅弧介質的結構緊湊性電氣設備，將斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、母線、進出線套管或電纜終端等元件組合封閉在接地的鋁合金殼體內，不受環境影響，噪音和無線電干擾小，占地面積小，在電力系統中的應用越來越廣泛，但也存在諸多問題，組合電器一旦發生內部故障，檢修時間長，難度大，嚴重威脅著電力系統的安全可靠性[1]。因此，做好對組合電器的狀態監測、結構檢測及事故預防非常重要。

2 組合電器隔離開關故障的啟示

某500 kV1號變壓器主接線見圖1，該開關設備采用組合電器，各設備運行狀態良好。2020年3月26日，500 kV 1號變壓器1號、2號T區保護裝置差動保護動作，跳開5001斷路器、5002斷路器、1號發電機出口斷路器，1號機組甩負荷36.6 MW。

停電后，檢查5001、5002開關外觀、氣壓、油壓未發現明顯異常，檢查500 kV 1號變壓器間隔1號、2號T區保護裝置，T區差動保護均動作，其他保護裝置無動作情況。

圖1 主接線圖

經打開隔離開關氣室觀察孔板，發現隔離開關50021G B相氣室存在明顯的放電痕跡，見圖2。

圖2 隔離開關放電

經拆解，發現隔離開關動觸頭行程未到位是造成該次故障的主要原因。為全面檢查其他設備情況，采取開啟隔離刀閘觀察孔的方式，對其他運行的隔離刀閘進行專項檢查，發現合閘狀態下，有13組隔離開關動觸頭不同程度地存在此問題。

采用開啟隔離刀閘觀察孔檢查的方法需要停電才能完成，同時需要對SF6氣體進行回收，檢查完成后又需要將合格的SF6氣體重新充入設備中，需要投入大量的人力物力。為此，采用X射線成像技術，將更好地解決停電問題，同時，不需對SF6氣體進行回收。

3 X射線成像技術

3.1 X射線探傷原理

X射線(X-ray)波長短，能量大，具有超強的穿透能力。X射線穿過物質的過程中，僅有部分會被物質吸收并會發生散射[2]，利用這一現象，當被測量的物質中存在缺陷時，該缺陷部位就會影響到射線的吸收，進而實現對缺陷的探測，這一原理與醫學上的應用是一致的。X射線能使膠片等感光材料感光，膠片感光的強弱與X射線量成正比，通過X射線感光強度的變化，經處理后形成影像。缺陷部分和完好部分在影像上的黑度圖象是不一樣，這就是X射線探傷的基本原理。此外，X射線還有著色作用，其長期照射某些物質(如水晶)后，使結晶體因脫水而顏色改變。X射線探傷是現代工業生產中質量檢測、質量控制、質量保證的重要手段，一般用于金屬、非金屬等材料制成的零部件，鑄造及焊接部件進行無損檢測，以確定其內部缺陷[3]，如夾渣，裂紋，氣孔，未焊透，未融合等。在機械、電力、石油、化工、航空、造船、國防軍工等部門，尤其是在鍋爐壓力容器焊縫的檢測中有極為廣泛的應用[4]。

3.2 X射線檢測儀器

X射線探傷檢測儀器主要有三個部分組成：

(1)X射線探傷機發生器，主要作用是提供X射線源，激發X光，起到類似于攝像機的作用。X射線探傷機發生器一般由X射線管、高壓變壓器與絕緣氣體(SF6)組成，通常將其封裝在一個固定鋁殼內。此外，還有作冷卻用的風扇和散熱器。高壓變壓器利用具有良好絕緣性能的SF6氣體進行絕緣，但當X射線探傷機發生器SF6氣體壓力低于規定值(0.4 MPa)的時候就不能再使用。

(2)X射線探傷機控制器，主要作用是對X射線探傷機發生器進行控制，可以調節延時拍攝時間、功率等。控制器能夠自動穩定X射線的管電壓和管電流。管電壓及曝光時間均可預置，按相應的按鈕即可重復曝光。如果在曝光期間保護單元動作，計時器將顯示當前時刻，不歸零。重新開機，可繼續曝光至預置時間，因而可節省膠片。電源電壓的波動通過控制器本身自動調節，以保證獲得穩定的X射線束。

(3)移動式計算機及操作系統，主要作用是對拍攝數據進行處理影像和分析。其原理見圖3。

3.3 X射線檢測安全性措施

圖3 X射線探傷檢測儀器原理

X射線檢測安全性措施如下：

(1)對X射線探傷檢測儀器進行遠程控制，利用無線技術進行數據傳輸。

(2)為了便于作業人員及時撤離現場，調節控制拍攝延時時間，控制X射線對作業人員的照射影響，避免受到X射線的輻射。根據經驗，延時不小于1分鐘。

(3)確定好X射線探傷機控制器自適應射線機和探傷檢測對象間的相對位置，調節合適的射線功率，最大限度的減少輻射能量。

(4)在作業人員與輻射源之間加一層足夠厚的鉛板，采用厚度不小于2 mm鉛板做好防護。

(5)控制輻射源與業人員之間的距離，劃定射線控制區與隔離區，并配置射線泄漏監測儀，超出安全值進行及時報警。在工作現場，無法做到鉛板防護時，要以管頭焦點為中心，半徑20 m內應無人員滯留。

(6)在工作區域開始作業前，應用接地線將控制器接于地端接專用接地線上。用連接電纜將控制器和發生器連接起來，并確保接觸良好。

4 X射線成像技術的應用

4.1 X射線檢測儀器操作

正確使用X射線探傷檢測儀器很重要，未經培訓合格的人員不能使用X射線探傷檢測儀器。正常的操作流程見圖4。

在裝置放置好后，正確連接電源線，打開電源控制開關，進一步檢查風扇和散熱器等是否能夠正常工作，然后開機自檢，該過程大約需要10幾秒鐘，只有自檢正常后才能開始工作。根據X射線探傷檢測儀器停機時長確定是否進行訓機，一般停機時長低于48小時不用訓機，不重視訓機將造成X射線管損壞或壽命縮短。曝光參數的設定主要包括KV值和曝光時間，可記憶最近一次設定的曝光參數，在關機后不會丟失。為了便于作業人員及時撤離現場，避免受到X射線的輻射，可以設置延時啟動曝光。延時啟動后，開始倒計時，指示燈閃亮，同時發出警示聲，延時完畢，自動開啟高壓曝光。需要注意的是：在延時過程中按啟高壓按鈕可直接啟動曝光，按停高壓按鈕可停止曝光操作。

圖4 X射線探傷檢測儀器操作流程

4.2 組合電器隔離開關斷口檢測

運用X射線探傷檢測儀器對組合電器隔離開關進行X射線檢測工作，考慮組合電器鋁合金殼體內最大穿透功率，調節合適的射線功率，根據組合電器隔離開關斷口最大成像面積，選擇合適的成像面板[5]。在用X射線探傷檢測儀器對組合電器隔離開關斷口檢測進行檢測時，將射線探傷機發生器正對組合電器隔離開關斷口處，成像板放置于射線探傷機發生器正對面，按要求進行操作，即可拍攝所需要的成像照片。

在此后的過程中，多次對不同間隔的隔離開關分閘、合閘兩個位置進行拍攝檢測其內部零部件情況。經檢測發現，有一組隔離開關C相的罐體內部有螺栓遺落(圖5)。

圖5 罐體內螺栓遺落

針對X射線探傷檢測儀器發現的問題，立即對該隔離開關進行開蓋檢查，進一步證實X射線探傷檢測的準確性。

4.3 組合電器斷路器斷口檢測

運用X射線探傷檢測儀器對組合電器斷路器進行X射線檢測工作，將射線探傷機發生器正對組合電器斷路器斷口處，考慮到斷路器氣室體積較大，選擇2張成像面板并排放置于射線探傷機發生器正對面，按要求進行操作，即可拍攝所需要的成像照片(圖6)。

圖6 雙成像面板斷路器斷口檢測

4.4 X射線成像對SF6氣體成分的影響

由于X射線能量大，具有超強的穿透力，為此，通過試驗進一步驗證X射線成像對SF6氣體成分的影響。

試驗前，測得現場環境溫度為25℃，濕度為60%。采用SF6設備氣體綜合檢測儀，根據被測氣體中的不同組分改變電化學傳感器輸出電信號，從而確定被測氣體中的組分及其含量，對SO2和H2S氣體的檢測量程應大于100 μL/L，CO氣體的檢測量程應大于500 μL/L。按照正確的操作流程，反復測量3次，取平均值作為最終測量結果。在X射線探傷檢測儀器對組合電器成像前，特意選擇了SF6氣體中已含有有少量分解物的氣室進行檢測(表1)。

為了較為準確地獲取X射線成像對SF6氣體成分的影響，防止因設備內部吸附劑的存在造成對測量結果的影響，在X射線成像完成后，迅速采用同一臺SF6設備氣體綜合檢測儀，按照正確的操作流程，反復測量3次，取平均值作為最終測量結果(表1)。

表1 X射線成像對SF6氣體成分的影響

從表1可以看出，除因測量誤差引起數據上的微小差異外，X射線成像對SF6氣體成分即分解物沒有任何影響。

5 結 語

X射線成像技術在電力系統中的成功應用，與傳統的技術手段相比，彌補了停電檢測的缺點，節約了大量的人力物力。

組合電器設備是以SF6氣體為絕緣和滅弧介質，通過多次對使用X射線成像前后SF6氣體成分的檢測，試驗結果表面X射線成像不會對SF6氣體成分造成的影響，也不會對設備材質造成危害，是一種應用前景廣闊的“無損”檢測技術。

X射線成像技術不僅適用于組合電器設備，也可應用于敞開式電氣設備、絕緣子和金具探傷、電纜接頭檢測等。

X射線成像技術實現了設備隱蔽缺陷的“ 可視化”，切實解決了傳統工作中的一些難題，具有非常高的推廣應用價值。

應用X射線進行電氣設備檢測，應注意采取安全性措施，劃定射線控制區與隔離區，在作業人員與輻射源之間加一層足夠厚的鉛板或混凝土板，做好防護。