X射线成像技术在组合电器中的应用研究

王 大 义， 孙 家 孝， 蒋 昊 巍 ， 李 均

(四川革什扎水电开发有限责任公司，四川 丹巴 626300)

1 概 述

组合电器(GIS)设备是以SF6气体为绝缘和灭弧介质的结构紧凑性电气设备，将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线、进出线套管或电缆终端等元件组合封闭在接地的铝合金壳体内，不受环境影响，噪音和无线电干扰小，占地面积小，在电力系统中的应用越来越广泛，但也存在诸多问题，组合电器一旦发生内部故障，检修时间长，难度大，严重威胁着电力系统的安全可靠性[1]。因此，做好对组合电器的状态监测、结构检测及事故预防非常重要。

2 组合电器隔离开关故障的启示

某500 kV1号变压器主接线见图1，该开关设备采用组合电器，各设备运行状态良好。2020年3月26日，500 kV 1号变压器1号、2号T区保护装置差动保护动作，跳开5001断路器、5002断路器、1号发电机出口断路器，1号机组甩负荷36.6 MW。

停电后，检查5001、5002开关外观、气压、油压未发现明显异常，检查500 kV 1号变压器间隔1号、2号T区保护装置，T区差动保护均动作，其他保护装置无动作情况。

图1 主接线图

经打开隔离开关气室观察孔板，发现隔离开关50021G B相气室存在明显的放电痕迹，见图2。

图2 隔离开关放电

经拆解，发现隔离开关动触头行程未到位是造成该次故障的主要原因。为全面检查其他设备情况，采取开启隔离刀闸观察孔的方式，对其他运行的隔离刀闸进行专项检查，发现合闸状态下，有13组隔离开关动触头不同程度地存在此问题。

采用开启隔离刀闸观察孔检查的方法需要停电才能完成，同时需要对SF6气体进行回收，检查完成后又需要将合格的SF6气体重新充入设备中，需要投入大量的人力物力。为此，采用X射线成像技术，将更好地解决停电问题，同时，不需对SF6气体进行回收。

3 X射线成像技术

3.1 X射线探伤原理

X射线(X-ray)波长短，能量大，具有超强的穿透能力。X射线穿过物质的过程中，仅有部分会被物质吸收并会发生散射[2]，利用这一现象，当被测量的物质中存在缺陷时，该缺陷部位就会影响到射线的吸收，进而实现对缺陷的探测，这一原理与医学上的应用是一致的。X射线能使胶片等感光材料感光，胶片感光的强弱与X射线量成正比，通过X射线感光强度的变化，经处理后形成影像。缺陷部分和完好部分在影像上的黑度图象是不一样，这就是X射线探伤的基本原理。此外，X射线还有着色作用，其长期照射某些物质(如水晶)后，使结晶体因脱水而颜色改变。X射线探伤是现代工业生产中质量检测、质量控制、质量保证的重要手段，一般用于金属、非金属等材料制成的零部件，铸造及焊接部件进行无损检测，以确定其内部缺陷[3]，如夹渣，裂纹，气孔，未焊透，未融合等。在机械、电力、石油、化工、航空、造船、国防军工等部门，尤其是在锅炉压力容器焊缝的检测中有极为广泛的应用[4]。

3.2 X射线检测仪器

X射线探伤检测仪器主要有三个部分组成：

(1)X射线探伤机发生器，主要作用是提供X射线源，激发X光，起到类似于摄像机的作用。X射线探伤机发生器一般由X射线管、高压变压器与绝缘气体(SF6)组成，通常将其封装在一个固定铝壳内。此外，还有作冷却用的风扇和散热器。高压变压器利用具有良好绝缘性能的SF6气体进行绝缘，但当X射线探伤机发生器SF6气体压力低于规定值(0.4 MPa)的时候就不能再使用。

(2)X射线探伤机控制器，主要作用是对X射线探伤机发生器进行控制，可以调节延时拍摄时间、功率等。控制器能够自动稳定X射线的管电压和管电流。管电压及曝光时间均可预置，按相应的按钮即可重复曝光。如果在曝光期间保护单元动作，计时器将显示当前时刻，不归零。重新开机，可继续曝光至预置时间，因而可节省胶片。电源电压的波动通过控制器本身自动调节，以保证获得稳定的X射线束。

(3)移动式计算机及操作系统，主要作用是对拍摄数据进行处理影像和分析。其原理见图3。

3.3 X射线检测安全性措施

图3 X射线探伤检测仪器原理

X射线检测安全性措施如下：

(1)对X射线探伤检测仪器进行远程控制，利用无线技术进行数据传输。

(2)为了便于作业人员及时撤离现场，调节控制拍摄延时时间，控制X射线对作业人员的照射影响，避免受到X射线的辐射。根据经验，延时不小于1分钟。

(3)确定好X射线探伤机控制器自适应射线机和探伤检测对象间的相对位置，调节合适的射线功率，最大限度的减少辐射能量。

(4)在作业人员与辐射源之间加一层足够厚的铅板，采用厚度不小于2 mm铅板做好防护。

(5)控制辐射源与业人员之间的距离，划定射线控制区与隔离区，并配置射线泄漏监测仪，超出安全值进行及时报警。在工作现场，无法做到铅板防护时，要以管头焦点为中心，半径20 m内应无人员滞留。

(6)在工作区域开始作业前，应用接地线将控制器接于地端接专用接地线上。用连接电缆将控制器和发生器连接起来，并确保接触良好。

4 X射线成像技术的应用

4.1 X射线检测仪器操作

正确使用X射线探伤检测仪器很重要，未经培训合格的人员不能使用X射线探伤检测仪器。正常的操作流程见图4。

在装置放置好后，正确连接电源线，打开电源控制开关，进一步检查风扇和散热器等是否能够正常工作，然后开机自检，该过程大约需要10几秒钟，只有自检正常后才能开始工作。根据X射线探伤检测仪器停机时长确定是否进行训机，一般停机时长低于48小时不用训机，不重视训机将造成X射线管损坏或寿命缩短。曝光参数的设定主要包括KV值和曝光时间，可记忆最近一次设定的曝光参数，在关机后不会丢失。为了便于作业人员及时撤离现场，避免受到X射线的辐射，可以设置延时启动曝光。延时启动后，开始倒计时，指示灯闪亮，同时发出警示声，延时完毕，自动开启高压曝光。需要注意的是：在延时过程中按启高压按钮可直接启动曝光，按停高压按钮可停止曝光操作。

图4 X射线探伤检测仪器操作流程

4.2 组合电器隔离开关断口检测

运用X射线探伤检测仪器对组合电器隔离开关进行X射线检测工作，考虑组合电器铝合金壳体内最大穿透功率，调节合适的射线功率，根据组合电器隔离开关断口最大成像面积，选择合适的成像面板[5]。在用X射线探伤检测仪器对组合电器隔离开关断口检测进行检测时，将射线探伤机发生器正对组合电器隔离开关断口处，成像板放置于射线探伤机发生器正对面，按要求进行操作，即可拍摄所需要的成像照片。

在此后的过程中，多次对不同间隔的隔离开关分闸、合闸两个位置进行拍摄检测其内部零部件情况。经检测发现，有一组隔离开关C相的罐体内部有螺栓遗落(图5)。

图5 罐体内螺栓遗落

针对X射线探伤检测仪器发现的问题，立即对该隔离开关进行开盖检查，进一步证实X射线探伤检测的准确性。

4.3 组合电器断路器断口检测

运用X射线探伤检测仪器对组合电器断路器进行X射线检测工作，将射线探伤机发生器正对组合电器断路器断口处，考虑到断路器气室体积较大，选择2张成像面板并排放置于射线探伤机发生器正对面，按要求进行操作，即可拍摄所需要的成像照片(图6)。

图6 双成像面板断路器断口检测

4.4 X射线成像对SF6气体成分的影响

由于X射线能量大，具有超强的穿透力，为此，通过试验进一步验证X射线成像对SF6气体成分的影响。

试验前，测得现场环境温度为25℃，湿度为60%。采用SF6设备气体综合检测仪，根据被测气体中的不同组分改变电化学传感器输出电信号，从而确定被测气体中的组分及其含量，对SO2和H2S气体的检测量程应大于100 μL/L，CO气体的检测量程应大于500 μL/L。按照正确的操作流程，反复测量3次，取平均值作为最终测量结果。在X射线探伤检测仪器对组合电器成像前，特意选择了SF6气体中已含有有少量分解物的气室进行检测(表1)。

为了较为准确地获取X射线成像对SF6气体成分的影响，防止因设备内部吸附剂的存在造成对测量结果的影响，在X射线成像完成后，迅速采用同一台SF6设备气体综合检测仪，按照正确的操作流程，反复测量3次，取平均值作为最终测量结果(表1)。

表1 X射线成像对SF6气体成分的影响

从表1可以看出，除因测量误差引起数据上的微小差异外，X射线成像对SF6气体成分即分解物没有任何影响。

5 结 语

X射线成像技术在电力系统中的成功应用，与传统的技术手段相比，弥补了停电检测的缺点，节约了大量的人力物力。

组合电器设备是以SF6气体为绝缘和灭弧介质，通过多次对使用X射线成像前后SF6气体成分的检测，试验结果表面X射线成像不会对SF6气体成分造成的影响，也不会对设备材质造成危害，是一种应用前景广阔的“无损”检测技术。

X射线成像技术不仅适用于组合电器设备，也可应用于敞开式电气设备、绝缘子和金具探伤、电缆接头检测等。

X射线成像技术实现了设备隐蔽缺陷的“ 可视化”，切实解决了传统工作中的一些难题，具有非常高的推广应用价值。

应用X射线进行电气设备检测，应注意采取安全性措施，划定射线控制区与隔离区，在作业人员与辐射源之间加一层足够厚的铅板或混凝土板，做好防护。