X射線數(shù)字成像技術(shù)在GIS設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

引言

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展和壯大,GIS設(shè)備以其運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、受外界干擾小等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。GIS設(shè)備由斷路器、隔離開關(guān)、絕緣子、母線、互感器、避雷器等組成,其中斷路器、隔離開關(guān)和絕緣子是GIS的關(guān)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(jì),GIS投運(yùn)后,隔離開關(guān)、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(shè)備采用SF6氣體絕緣、金屬封閉技術(shù),目前在缺陷發(fā)生時(shí)缺乏有效的檢測(cè)手段。而采用X射線數(shù)字成像技術(shù),通過對(duì)故障易發(fā)部位進(jìn)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(dòng)、觸頭燒毀、異物碎屑等問題,在故障末擴(kuò)大之前對(duì)其進(jìn)行更換處理,防止大規(guī)模停電事故的發(fā)生。

1X射線的產(chǎn)生及成像原理

1.1X射線的產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)高能電子流撞擊金屬靶時(shí),電子在原子核的強(qiáng)電場(chǎng)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(dòng)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。

1.2射線照相技術(shù)原理

當(dāng)X射線在傳播過程中遇到障礙物時(shí),會(huì)穿透障礙物繼續(xù)傳播,但在穿透過程中會(huì)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(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)和瑞利散射。其中光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子和熒光(特征)X射線,康普頓效應(yīng)產(chǎn)生反沖電子和散射光子,電子對(duì)效應(yīng)將入射光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和負(fù)電子,瑞利散射產(chǎn)生與入射X射線能量相同的相干光。

在透射線的路徑上放入膠片,透射線會(huì)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(guān)的底片。若被透照物體的局部存在缺陷,且構(gòu)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(qiáng)度就會(huì)與周圍產(chǎn)生差異。因此,根據(jù)底片相關(guān)部位黑化程度的差異,可判斷是否有缺陷。

2X射線數(shù)字成像系統(tǒng)

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

CR技術(shù)用成像板(IP板)記錄影像信息,利用IP板上的熒光物質(zhì)對(duì)入射X射線進(jìn)行記錄,通過掃描儀對(duì)記錄信息進(jìn)行讀取,最后將讀取數(shù)據(jù)傳輸至電腦成像。DR技術(shù)是由平板探測(cè)器直接接收X射線圖像信號(hào),經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器將物理信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),最后傳輸至電腦成像。由于DR技術(shù)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(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3影響X射線成像的因素

X射線最大的特點(diǎn)是其能在感光系統(tǒng)(屏片系統(tǒng)、探測(cè)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(qiáng)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(qiáng)度越強(qiáng),影像的黑度越高:反之,黑度越低。X射線攝影感光效應(yīng)與感光因素之間的關(guān)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(shí)間:r為攝影距離。

3.1管電壓與穿透力

由式(1)可知,感光效應(yīng)與管電壓的n次方成正比。這說明管電壓越高,到達(dá)成像系統(tǒng)的x攝像能量越大,X射線的穿透力越強(qiáng),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(dāng)管電壓不變時(shí),X射線感光強(qiáng)度與輻射強(qiáng)度和時(shí)間的乘積相關(guān)。因此,想要改變底片黑度,需要配合調(diào)整管電流和曝光時(shí)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(qiáng)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。

4透照工藝參數(shù)的選擇

4.1檢測(cè)技術(shù)等級(jí)的選擇

射線檢測(cè)技術(shù)分為三級(jí):A級(jí)一低靈敏度技術(shù):AB級(jí)一中靈敏度技術(shù):B級(jí)一高靈敏度技術(shù)。承壓設(shè)備焊接接頭的射線檢測(cè),一般應(yīng)采用AB級(jí)射線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè):對(duì)重要設(shè)備、結(jié)構(gòu)、特殊材料和特殊焊接工藝制作的焊接接頭,可采用B級(jí)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè):當(dāng)檢測(cè)條件不能滿足AB級(jí)射線檢測(cè)技術(shù)的要求時(shí),經(jīng)合同雙方商定,在采取有效補(bǔ)償措施(例如選用更高類別的膠片)后,可采用A級(jí)技術(shù)進(jìn)行射線檢測(cè),但應(yīng)同時(shí)采用其他無損檢測(cè)方法進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)。

4.2焦距的選擇

為保證射線照相的清晰度,標(biāo)準(zhǔn)對(duì)透照距離的最小值有限制。在我國(guó)現(xiàn)行NB/T47013標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定透照距離f與焦點(diǎn)尺寸df和工件至膠片距離(透照厚度)b應(yīng)滿足以下關(guān)系:

A級(jí):

AB級(jí):

B級(jí):

確定透照距離后,焦距F由公式F=f＋b計(jì)算得出。在實(shí)際工作中,焦距的最小值通常由諾模圖查出。實(shí)際透照時(shí)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?yàn)橥刚請(qǐng)龅拇笮∨c焦距相關(guān),焦距增大后,透照?qǐng)龇秶龃?這樣可以得到較大的有效透照長(zhǎng)度,同時(shí)影像清晰度也進(jìn)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(yīng)選用較低的管電壓。在采用較高管電壓時(shí),應(yīng)保證適當(dāng)?shù)钠毓饬?。不同材料、不同透照厚度下允許采用的最高X射線管電壓可通過查找《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第2部分:射線檢測(cè)》(NB/T47013.2一2015)導(dǎo)則的第5.6.4條獲得。

5X射線數(shù)字成像檢測(cè)案例

5.1220kV斷路器X射線數(shù)字成像檢測(cè)

5.1.1缺陷檢測(cè)過程

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

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

5.1.2X射線成像對(duì)缺陷原因的初步判斷

X射線成像結(jié)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(dòng)機(jī)構(gòu)已發(fā)生異常。同時(shí),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(shè)備解體情況

2021年8月,對(duì)故障開關(guān)進(jìn)行解體,發(fā)現(xiàn)大噴口已斷裂。同時(shí),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(jìn)入撥叉叉槽,形成卡阻。經(jīng)過綜合分析,此次缺陷的原因?yàn)橄尬宦萁z缺失導(dǎo)致?lián)懿婧祥l轉(zhuǎn)過位,當(dāng)再次分閘時(shí)推拉桿銷子無法進(jìn)入撥叉叉槽,形成卡阻。此時(shí),動(dòng)觸頭同時(shí)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(dòng)裝置失靈,分閘時(shí)弧觸頭停留在靜觸座端面以下60mm的位置。

綜上,X射線成像對(duì)缺陷原因的判斷與實(shí)際情況相近。

5.2220kV隔離開關(guān)數(shù)字成像

5.2.1檢測(cè)過程

2019年11月,某220kV變電站對(duì)隔離刀閘進(jìn)行X射線成像檢測(cè),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(tái)隔離開關(guān)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。

5.2.2開蓋檢修情況

2020年3月,我局對(duì)X射線成像不合格刀閘進(jìn)行了開蓋檢修處理,發(fā)現(xiàn)部分刀閘電動(dòng)機(jī)齒輪松動(dòng),部分刀閘連結(jié)螺栓脫落,導(dǎo)致傳動(dòng)連桿未能完全抬升。由此可見,X射線成像結(jié)果與實(shí)際故障相符。

6結(jié)語(yǔ)

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