GIS设备导体缺陷X射线数字成像检测及缺陷产生原因分析

胡加瑞，李文波，刘 纯，陈红冬，谢 亿

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙 410007)

GIS设备导体缺陷X射线数字成像检测及缺陷产生原因分析

胡加瑞，李文波，刘 纯，陈红冬，谢 亿

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，长沙 410007)

采用X射线数字成像系统对气体绝缘金属封闭开关变电站(GIS)设备导体进行检测，发现导体焊接部位存在裂纹、未熔合等缺陷。经解体检查，X射线数字成像结果与实物缺陷一致。 同时，理化试验结果表明，焊接工艺不当是导致导体产生缺陷的根本原因，并提出相应的解决措施。

X射线数字成像；GIS设备；导体；缺陷检测

随着电网规模的不断扩大，气体绝缘金属封闭开关变电站(GIS)每年都在不断地增加，GIS设备具有可靠性高、维护方便、占地小等优点；但其一旦发生故障，后果往往很严重，停电范围较大，同时，由于其设备结构复杂，内部充有SF6(六氟化硫)绝缘气体，给解体检修工作带来很大的困难，且检修工作技术含量高、耗时长，停电所造成的损失较大[1-3]。

随着GIS设备服役年限的延长，部分设备也处于缺陷故障高发期。但是，由于GIS设备的全封闭性，当其内部出现接触不良、螺栓松动、存在异物等缺陷时，无法直接观测，常规检测手段也难以观察设备内部机械连接情况以及各绝缘部件的健康状况，造成无法在事故发生前进行预防处理的问题。X射线数字成像技术能够穿透GIS设备外部的金属及瓷套，并且将其内部结构在影像板上成像，实现了 GIS 设备内部结构的“可视化”诊断[4-5]。笔者采用X射线数字成像系统对GIS设备导体进行检测，发现导体存在缺陷，并分析了导体产生缺陷的根本原因。

图1 502间隔各气室检测部位示意

1 数字射线检测案例

1.1数字射线检测对象

2015年4月，某220 kV变电站110 kV GIS设备502间隔发生故障。为对设备故障进行分析和诊断，对5023母线隔离开关与断路器连接导体进行了X射线数字成像检测，X射线检测电压为270 V，曝光时间为180 s，502间隔各气室检测部位见图1(图1中CT为电流互感器，PT为电压互感器，DS为隔离开关，ES为接地开关，CB为断路器，LCP为汇控柜，CSE为电缆终端，M1为1号母线，M2为2号母线，1为5021气室，2为5022气室，3为5023气室，4为5024气室)。

1.2检测结果分析

各部位检测结果如图2所示， 5023隔离开关主触头、5023间隔断路器与隔离开关触头、502间隔与隔离开关触头接触良好，触指弹簧、屏蔽罩、紧固螺栓等均无异常，同时利用距离测试系统及焦距换算，可知其插入深度分别为28.5，29.3，29.7 mm，502间隔断路器主触头数字射线检测影像无异常，如图2(d)所示。

图2 各部位X射线数字成像结果

利用数字成像系统对导体进行检测，检测具体参数为：电压220 V，曝光时间90 s。检测发现502气室内导体靠触头侧的近底部位置均存在明显的内部缺陷，将内部导体编号为1#，2#，3#，其中502气室内有一个缺陷延伸到表面，为疑似环向裂纹，5021气室隔离开关X射线数字成像检测结果见图3。

图3 502气室隔离开关X射线数字成像检测结果

拆开5021气室隔离开关后，对其3根导体存在内部缺陷和疑似环向裂纹的部位进行表面渗透检测(PT)，其中对3#导体检测出表面环向裂纹，3#导体PT检测结果如图4所示，其余两根导体无表面裂纹。

图4 3#导体PT检测结果

2 缺陷成因分析

拆开502隔离开关气室的3根导体，在内部缺陷位置纵向剖开，发现射线检测中导体内部缺陷部位为焊接位置。再对其进行金相检验，3根导体焊接部位均存在根部未焊透、未熔合、裂纹、气孔等缺陷。其中1#，2#导体裂纹萌生于焊缝根部未焊透部位，并沿熔合线向外侧扩展了一段距离，终止于熔合线上，导体剖切面如图5(a)和图5(b)所示。3#导体裂纹沿熔合线向外侧扩展延伸到导体外表面，并在导体表面形成周向裂纹，如图5(c)所示。

图5 3个导体剖切面照片

图6 3#导体焊接部位金相检验结果

图7 3#导体断口部位SEM形貌

同时，对3#导体断口区域进行金相检验及SEM检测，如图6和图7所示。结果表明：断口表面约 2/3 区域呈深黑色，为陈旧断裂面；其余部位呈浅白色，为后续断裂面，具有明显的脆断特征。陈旧断裂面在裂纹未扩展到表面时已经形成。一方面说明裂纹由内形成，而后向外扩展；另一方面说明这两个阶段的裂纹存在时间差，该裂纹在运行过程中存在扩展的倾向。

导体两侧材料均为6063铝合金，再经氩弧焊接而成。焊接裂纹产生的根本原因是：焊接过程中温度分布不均匀以及各部分组织局部变形，从而在焊缝以及附近母材区域内形成热应力；在热应力作用下，焊口缺陷处萌生裂纹并扩展。对于铝合金焊接而言，其结晶收缩率以及热膨胀系数比钢大一倍，焊接过程中局部变形大，因此，焊接过程中产生热应力大，易形成裂纹。在焊接应力作用下，裂纹通常优先在缺陷处或者强度较差的区域萌生并扩展。

在焊接工艺良好的工况下，母材与焊缝金属结合良好，不存在未熔合等缺陷时，母材和焊缝结合强度较高，但在焊接应力的作用下焊缝内部最后凝固区域仍易形成缺陷，若萌生裂纹，裂纹会优先在焊缝内缺陷处萌生并扩展。裂纹在焊缝内部扩展的金相检验结果如图8所示，可见，在熔合线处，母材和焊缝组织熔合良好，没有缺陷存在，而裂纹在焊缝内部萌生并在焊缝内部扩展。

图8 裂纹在焊缝内部扩展的金相检验结果

当熔合线存在未熔合区域时，母材和焊缝金属结合强度明显变差，在焊接应力作用下，未熔合区域尖端还会形成应力集中，裂纹优先在未熔合区域尖端萌生并沿熔合线扩展。裂纹沿熔合线扩展的金相检验结果如图9所示，可见，当熔合线存在未熔合区域时，裂纹从一个未熔合区域扩展到相邻未熔合区域，由于熔合线上强度低，裂纹沿熔合线向外扩展[6-7]。

图9 裂纹沿熔合线扩展的金相检验结果

3 焊接工艺改进

GIS导体的焊接需避免焊缝内部裂纹及未熔合的出现，同时需解决焊接应力问题，笔者结合现场提出如下实际建议：焊接中在坡口根部预留一定间隙，如图10(a)所示，使焊液进入间隙中，以保证根部焊透；同时焊接时焊枪偏置水平位置一定角度，如图10(b)所示，保证焊枪上坡施焊并摆动焊枪，减小焊接应力。

图10 改进后焊接工艺示意

4 结论

(1) X射线数字成像技术可以在GIS设备不解体的情况下，有效地对导体焊缝进行检测，同时对其他GIS设备内部的结构性缺陷检测灵敏度较高，可做为特高频及超声波带电检测的有效补充。

(2) 焊接工艺不当是导致导体产生缺陷的根本原因，建议导体焊接时坡口根部预留一定间隙，并将焊枪偏置一定角度，加强焊缝的表面渗透检测。

[1] 李继胜，赵学风，杨景刚，等.GIS典型缺陷局部放电测量与分析[J].高电压技术，2009，35(10): 2440-2445.

[2] 罗俊华，赵中原，邱毓昌，等.局部放电信号三维图谱的分形特征研究 [J].高电压技术，2001， 27(6):24-25.

[3] 李大勇.GIS设备故障原因分析及对策[J].中国科技信息，2011(6):98-99.

[4] 李强，孙朝明.数字射线检测中图像评定尺的设计与应用[J].无损检测，2011，33(4)：33-35.

[5] 杨再华，李玉和，李庆祥,等.基于边缘特征提取的图像清晰度评价函数[J].计算机工程与应用， 2005，41(10)：35-36.

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DetectionofGISEquipmentConductorDefectsbyX-rayDigitalImagingandAnalysisofDefectCauses

HU Jiarui, LI Wenbo, LIU Chun, CHEN Hongdong, XIE Yi

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute, Changsha 410007, China)

By using X-ray digital imaging system, the test on GIS equipment conductor found some defects on welded parts of the conductor, such as cracks and incomplete fusion .After disintegrating, the X-ray digital imaging result is consistent with the physical defects. Meanwhile, the results of the physical and chemical test show that the improper welding process is the root cause of defects of the conductor, and following that appropriate solutions are proposed.

X-ray digital imaging; GIS equipment; conductor; defect detection

TG115.28

： B

：1000-6656(2017)09-0076-04

2016-12-29

胡加瑞(1984-),男，工程师，主要从事电力系统金属部件失效分析工作

胡加瑞，564802374@qq.com

10.11973/wsjc201709019