X射線數字成像無損檢測技術在GIS設備維護檢測中的應用分析

上海電力安裝第二工程有限公司 周燁斌

GIS是電網輸配環節中的重要設備之一，其運行安全穩定可靠是保障電力輸送的基礎，國家能源局、國家電網公司及各地電力公司近幾年都在不斷加大、加強對電網設備運行監督及檢查的力度，其中對于GIS設備的監督檢測也是重點環節之一。GIS設備檢測的常用方法有超高頻（UHF）局部放電檢測、超聲波局部放電檢測和SF6氣體分解檢測等，并被廣泛用于發現內部絕緣缺陷。然而這些方法都是間接檢測，在未發生局部放電時無法準確診斷其內部的物理缺陷。這種情況下，X射線數字成像技術可通過非接觸的無損檢測方法，觀察帶電運行條件下電氣設備的內部結構異常。射線數字成像檢測可直觀地發現缺陷的嚴重程度，無論是否存在局部放電，從而實現GIS無需斷電的可視化檢測，提高設備運行狀態的診斷能力。

1 研究的前提

近年國家相關部門陸續頒布了GB/T 40385-2021《鋼管無損檢測 焊接鋼管焊縫缺欠的數字射線檢測》等一系列數字射線檢測的標準，使得X射線數字成像技術在鋼管制造、航空領域、石化長輸管道檢測中被慢慢應用。

1.1 X射線數字成像的原理

數字射線檢測是在醫學領域應用的基礎上發展起來的。其基本原理與常規射線檢測一樣，基本分為三個階段。

曝光。射線束透過被檢測工件時，由于被檢測工件對射線的吸收和散射等，使射線強度發生衰減。衰減程度與其所經過的工件各部位的厚度、結構及缺陷(即密度變化)等因素有關。從而形成了一幅與被檢工件相關的射線強度分布圖，即射線影像信息圖。而區別與常規射線檢測，數字射線檢測是將該射線影像信息記錄在由輝盡性熒光物質制成的存儲熒光板上而非工業檢測膠片上，又稱影像板或成像板(即IP)上[1]。

圖像讀取（膠片處理）。常規射線檢測后，需要將曝光后的膠片拿到暗室進行顯影、定影等處理，烘干后的到了一張具有一定黑度的底片。而數字射線成像技術有所不同，IP板感光后在熒光物質中形成潛影，然后將具有潛影的IP板置入全自動成像板掃描儀，激光束會對已曝光的IP板進行精細掃描讀取， 經數字/模擬轉換器轉換，在監視器熒光屏上顯示出圖像。

缺陷判別。常規射線檢測中，技術人員通過把底片放到強光燈前，通過肉眼對底片中的黑度變化進行觀察，從而確定缺陷的位置、大小等信息。而數字射線檢測中，數字圖像可導入專業的計算機分析軟件，對圖片的各種參數可進行修正，且自動識別功能可輔助技術人員更快更準確的定位并識別缺陷。

1.2 X射線數字成像優勢

數字射線成像技術，由于其特點使得對比傳統常規射線檢測具有較大的優勢，更加有利于發現并對缺陷進行判定分析。數字射線檢測與常規射線檢測的對比如下：

表1 數字射線檢測與常規射線檢測的對比

2 檢測系統搭建及可行性試驗

2.1 實驗平臺建設

考慮到GIS設備現場檢測的應用情況，本次搭建的X射線數字成像系統的主要設備如下：

GOLDEN便攜式脈沖X射線機。外形尺寸：L44.5×W13.5×H21.6cm，每個脈沖劑量4～7mR，焦點尺寸2mm，最大電壓300kV，電流0.632mA；脈寬50ns，工作環境溫度-23～50℃；CRxVision掃描儀及成像板。掃描分辨率：標準(SR)70μm/高(HR)35μm，空間分辨率：標準(SR)80μm(625LP/mm)/高(HR)40μm(125LP/mm)，掃 描 寬 度7～35 cm、長度2～150cm，速度(10×40cm)：標準(SR)90張/小時/高(HR)28張/小時，成像時間：標準(SR)40sec/高(HR)147sec，位深16Bit，工作環境溫度15～35℃；Rhythm圖像處理軟件。DICONDE國際通用的工業數字射線數據格式，滿足標準的要求、兼容性和共享性。一鍵式矢量濾鏡(Flash)、ROI濾鏡、窗口濾鏡等，使圖像一鍵優化到最佳效果。可升級的軟件結構設計，能進行長度、角度、面積、深度等多種測量，可注釋、標記等。

2.2 可行性試驗（SF6電離試驗）

由于X射線的能量較高，可能使GIS內部的SF6氣體電離進而分解，一旦發生會嚴重降低GIS的內部絕緣、甚至導致安全事故。因此在開展本次研究前，首先要進行X射線對SF6的電離影響，以確保該方法的可行性。

X射線照射后的耐壓試驗：圖1顯示了填充有0.4MPaSF6的試驗工具的設計，以及直徑為150mm、倒角為30mm的平板電極，其設計用于獲得耐壓試驗的穩定值。電極之間的間隙約為5mm。綜合分析結果發現，X射線輻照后，擊穿電壓波動不大，基本維持在114kV，考慮到擊穿電壓本身的偶然性，推斷SF6的擊穿電壓，X射線照射后基本保持不變。實際上，在GIS的X射線數字成像檢測中，X射線輻照通常小于3分鐘，因此可認為X射線輻照對SF6的耐壓沒有影響。

圖1 測試工具的圖紙和平板電極的圖片

SF6絕緣氣體經X射線照射后的離解試驗：為防止GIS設備中SF6氣體在X射線檢測中的分解，測試了不同管電壓水平下X射線輻照對SF6的影響。試驗中使用SF6分解產物檢測器（精度為±0.1uL），使用光譜儀對每個電壓水平下的氣體成分進行了初步測量和記錄，然后在相應的管電壓下進行1/3/5/7分鐘的X射線輻照，之后再次測量并記錄氣體的成分。接下來更換氣體，并在其他管電壓水平下進行輻照[2]。通過對結果的比較，表明新型SF6氣體的固有成分CFA含量極低，且CF4的濃度不隨X射線輻照的持續時間和管電壓水平的增加而增加。由試驗可知，在300kV管電壓下，X射線照射7min后SF6未發生離解。

3 GIS設備X射線數字成像檢測試驗

本次模擬了四種常規檢測無法有效判定的缺陷，而這些缺陷可能是在安裝過程中產生的，也可能是設備制造過程中或長期運行老化造成。而這些問題如果不能在前期有效被識別加以控制和修復，可能會造成較為嚴重的后果。

3.1 游離金屬顆粒

模擬了X射線數字成像對GIS中的金屬顆粒的檢測。設定典型的柱狀銅顆粒，直徑分別為1.3mm和0.11mm，長度分為1mm、3mm和5mm。X射線數字成像結果可看出，兩種直徑的金屬顆粒可清晰成像，成像結果與顆粒的大小成正比。但直徑為0.11mm、長度為1mm的金屬顆粒沒有清晰成像。通過比較3mm和5mm柱狀顆粒的長度，發現直徑為0.11mm的金屬顆粒的長度仍處于相應的比例。實踐證明，利用X射線數字成像技術可很好地檢測到游離金屬顆粒。

圖2 自由金屬顆粒

3.2 片狀游離顆粒

現場安裝期間通常使用金屬和橡膠墊圈，GIS設備中可能會混入這些雜物。為了測量片狀自由顆粒的X射線數字成像質量，我方模擬了金屬和非金屬片狀顆粒的X射線數字成像檢測試驗。可顯示金屬及非金屬片狀顆粒，考慮到GIS設備現場安裝過程中使用的墊片厚度通常超過1mm，利用X射線數字成像技術可清晰地檢測出設備內漏掉的片狀顆粒[3]。

3.3 吸附劑和蓋子

GIS設備殼體中填充的SF6氣體中通常含有水分，當水的體積分量超過一定限值時會影響到設備的絕緣，為了吸收SF6氣體中的水分，GIS內部的吸附劑槽中會加入吸附劑。吸附劑槽通常由不銹鋼制成。一些制造商使用塑料槽以降低成本。然而，塑料材料的熱膨脹系數遠大于金屬材料的熱膨脹系數。當溫度變化較大時，GIS金屬罐和塑料吸附劑槽的熱膨脹和收縮程度變化較大，使蓋容易老化和損壞。事實證明，如果吸附劑槽發生故障，吸附劑脫落，將導致GIS內部放電故障，有必要對槽材料進行檢測和區分，從而消除塑料槽的缺陷。

對于金屬吸附劑槽，輪廓和網格清晰，但吸附劑不明顯。這是因為吸附劑槽較厚，不銹鋼密度較大，增加了X射線穿透的難度和吸附劑槽的對比度。由于采用鑄造工藝，蓋無棱角，根據上述特點，在利用X射線數字成像技術進行可視化檢測時，可清晰地識別GIS中吸附劑槽的材質，調查隱患。解決了吸附劑罩的缺陷難以有效識別和判斷的問題，為設備狀態檢修提供了強有力的技術支持。此外，還避免了設備斷電和盲目拆卸檢查[4]。

3.4 松開的金屬螺釘

GIS殼體內的各個部件及分部設備通過螺栓固定在殼體內的各個結構部位，螺栓松動已成為GIS設備的重要缺陷之一。螺栓松動會導致對準和接觸不良，導致接觸面過熱和浮金屬放電等。在X射線數字成像下可看到螺栓松動缺陷。輕微松動的螺栓可在短時間內繼續帶電運行，但墊圈已松動，可能導致浮動放電。長期運行后，將危及設備的安全。

4 結語

本次的研究試驗，通過采用X射線數字成像技術（CR）對GIS設備內部的人工模擬缺陷進行檢測試驗分析，得出的數據有助于改進和指導該技術在現場工況下的實際應用。

搭建了包括CR數字成像系統和GIS模型在內的實驗平臺，設計了可在一定壓力下填充SF6的GIS設備測試工裝。在不同管電壓下對SF6進行X射線輻照后的耐壓試驗和解離試驗，表明SF氣體的分解特性和耐壓不受影響；采用X射線數字成像方法檢測常見缺陷，包括不同種類的游離顆粒、不同材料的吸附劑蓋和松動的金屬螺釘，并獲得圖像結果。自由粒子的清潔度的下限參數為直徑為0.11mm，長度為3mm。在X射線數字成像下，可清楚地分辨GIS中吸附劑槽的材料，并且可看到GIS中松動的金屬螺釘；分析了大量缺陷實例，將缺陷分為三個等級，并給出了不同缺陷下的X射線檢測標準。

本研究進一步證明了X射線數字成像技術在GIS內部缺陷檢測中的有效性。在未來，將對不同類型的缺陷進行更多的實驗。