基于X射线的GIS设备可视化检测系统

钟飞，黄升平，张晓春，黄炎，钟力强

（广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州510080）

电网变电设施安全、稳定和可靠的运行具有重要的作用，电网安全关系公共安全和国计民生，若电力设备出现故障，不仅会浪费诸多维护时间，还会带来巨大的经济损失[1-5]。因此，及时准确地检测出电气设备存在的问题具有重要意义。目前在电网的生产环境中，使用了众多检测方法保证电气设备的可靠性[11]。但这些方法只是给出了简单的估计，无法准确可靠的给出电气设备内部的缺陷位置和类型。因此，无法构成对设备状态的准确估计和辅助决策。

针对上述问题，文中提出使用X射线和数字成像（Digital Radiography，DR）技术构建气体绝缘组合电器（GIS）的可视化检测系统。首先分析X射线对GIS设备的影响以得到不同设备的透视参数，然后使用X射线和DR技术准确定位缺陷所在的具体位置，从而更加准确地确定GIS内部缺陷的类型和位置。实验结果表明，该系统实现了GIS设备的可视化检测，不仅能准确确定一些已知的缺陷，且还能发现人眼不易观察的缺陷，使设备维护人员能更加准确和轻松地定位GIS设备故障，从而为GIS设备的检修提供了技术支持。

1 GIS设备典型缺陷可视化检测系统

文中使用X射线DR检测系统对不同材料的GIS设备进行透视检测[12]。系统简图，如图1所示。该系统由X射线机、成像板和计算机工作站组成。

使用该系统检测GIS设备时，首先将X射线机和成像板置于被检测GIS设备的两侧，为了保证X射线能穿过被检测设备到达成像板，需要让X射线机的发射端口对准成像板。然后，设置X射线机的参数，包括电压、管电流和曝光时间等。最后，点击按钮发射X射线，成像板将X射线光子转换成数字电流并传输到计算机工作站。经图像处理后，可以获得设备内部的透视图像。

图1 X射线DR检测系统简图

X射线DR系统是最先进的X射线技术，具有比传统的成像和计算机放射学[13]（CR）更加实时和数字化的优势。尽管X射线技术已经广泛应用在医药、航空、航天等领域[14]，但其并不适用于GIS等电气设备。然而，DR技术具有广阔的应用前景，X射线DR检测技术不仅能提供电力设施内部配置的可视化检测，且在没有断电和分解的情况下也能准确真实的估计设备的状况[15-16]。为了确保电气设备的安全，本文研究了X射线对GIS设备中固体、油和SF6气的影响，并使用X射线DR技术对GIS典型缺陷进行模拟与可视化检测。X射线DR系统和实验平台如图2所示，图（a）是X射线DR检测系统；图（b）是220 kV GIS测试部分，用于影响研究和模拟实验。

图2 X射线DR系统和实验平台

2 X射线对GIS设备的影响

2.1 X射对固体材料的影响

为了获得X射线对固体材料GIS设备的影响，在绝缘体凹槽中拉出小切口，并在X射线照射之前和之后进行电子显微镜的观察与注释。本文所有实验使用的X射线均为最高能量级，X射线机的电压和电流分别为300 kV和3 mA。如图3所示，分别为50倍显微镜下，X射线照射前与照射后的固体材料缺陷图像。从图中可以看出，X射线对固体设备材料的尺寸并不敏感。

图3 X射线照射前后固体材料缺陷图像

2.2 X射对油材料的影响

为了获得X射线照射对变压器油的影响，本文观察研究在压力和X射线照射作用下，两台不同质量的变压器油的状况。两组实验将不同25号油放入油杯中，检查平台如图4所示。所选择的尖端缺陷的击穿电压为10 kV。因此，两组实验在10 kV附近加压，持续对变压器油加压5小时，比较加压前后变压器油的DGA数据。另外一组实验用于测试X射线对变压器油的影响，分别进行加压和X射线照射1小时，与上组实验结果进行对比。对比结果发现，对于不同的变压器油X射线能影响H2的含量，且H2的含量由变压器油的质量与X射线的照射时间决定。

图4 变压器油的尖端缺陷对X射线的影响实验模型

2.3 X射对SF6气体的影响

为了获得GIS设备中SF6气体的影响，本文在GIS测试区空腔中设置了一些绝缘缺陷，外部施加了交流电压，用于模拟GIS设备的运行状态。同时，使用X射线照射内部GIS的缺陷，每隔一段时间检测GIS的内部局部放电状态，用于观察局部放电条件是否发生变化。使用X射线照射后，通过质谱仪提取GIS中的SF6气体进行分析，用于说明X射线照射是否对电力设施中SF6气体有影响。本文测试实验设置了两个GIS设备缺陷，一个是高压导体极尖端的缺陷；另一个是有金属颗粒固定在圆盘绝缘体中。GIS测试部分有3个气室，分别是套管、开关和总线气室。总线空气室是试验空气室，GIS的缺陷全部置于总线空气室中。

基于设置的两个缺陷，首先监测局部放电的初始电压和击穿电压，然后稍高于初始放电电压，使用脉冲电流局部放电检测设备监测局部放电图。再利用X光机瞄准GIS设备中设置了金属颗粒缺陷的位置照射，同时在GIS中对使用交流电压加压。在X射线照射一段时间后，再次检测局部放电的初始电压。

在金属颗粒缺陷位置测试试验中，GIS中心与X光机之间的距离为500 mm。在X射线照射前使用13 kV交流电压施加在金属颗粒缺陷位置，脉冲电流局部放电检测结果如图5（a）所示。在1小时X射线照射后，如图5（b）所示为13 kV交流电压下的脉冲电流局部放电检测图。可以看出，X射线没有导致SF6气体的分解

图5 X射线照射前（上）后（下）脉冲电流检测图

3 可视化检测结果与分析

GIS因其占用空间小、固定方便、可靠性更高等优点被广泛应用于电网中。但制造安装过程中易产生各种问题，如金属颗粒、悬浮和金属尖端等。若未能及时发现和检测出来，一旦发生设备故障，则需要更长的维护时间，产生更大的损失。本文使用X射线检测方法来检测电气设备，为了获得X射线DR技术的检测范围，文中模拟和可视化检测了5种缺陷情况。模拟实验在220 kV GIS测试部分完成。

3.1 金属悬浮缺陷

断面金属被绝缘棉线阻塞，不与GIS罐体底部接触。金属悬浮缺陷，如图6（a）所示。X射线透视图像，如图6（b）所示。

图6 金属悬浮缺陷和X射线透视图像

3.2 装载配件等异物缺陷

将金属垫片、螺栓、螺母和弹片等放置在GIS罐体底部来模拟装载配件异物缺陷，如图7（a）所示。X射线透射图像，如图7（b）所示。

图7 装载配件异物缺陷和X射线透视图像

3.3 屏蔽盖松动缺陷

本文模拟了屏蔽盖松动缺陷，如图8所示为未出现松动（a）和出现松动（b）的X射线透射图像。

图8 未出现松动图像和出现松动图像

3.4 隔离开关闭合不到位缺陷

GIS设备隔离开关闭合不到位缺陷模拟，如图9所示。图（a）为闭合不到位图像，图（b）为闭合到位图像。

图9 隔离开关闭合不到位缺陷和隔离开关闭合到位图像

3.5 金属颗粒缺陷

将金属颗粒放置在GIS罐体内模拟产生GIS运行缺陷，金属颗粒全部为0.1～0.3 mm大小，如图10（a）所示。X射线透射图像，如图10（b）所示。

图10 金属颗粒缺陷和X射线透视图像

从上述实验结果可以看出，X射线DR检测系统能用于GIS设备的透视检。因此，本文使用该系统检测实际的电力设备，系统设置如图11所示。检测结果，如图12所示。

图11 检测系统布置图

图12 X射线检测结果

GIS设备罐箱，如图13所示。X射线图像，由图14所示。

图13 GIS设备罐箱图

从图12和图13可以看出GIS设备异常的原因是连接体出现了倾斜，它被引导到支撑绝缘体部分。

图14 GIS设备罐箱X射线图

4 结束语

GIS设备通常会出现触指变形、上压环脱落、静触头触指烧损和绝缘拉杆爆裂等内部结构损坏问题。传统方法仅能给出简单的估计，无法准确可靠的给出电气设备内部的缺陷。本文提出使用X射线和DR技术构建GIS设备的可视化检测系统，首先，分析X射线对GIS设备的影响以得到不同设备的透视参数。然后，使用X射线和DR技术准确定位缺陷所在的具体位置，从而更加准确地确定GIS内部缺陷的类型和位置。实验结果表明，该系统实现了GIS设备的可视化检测，不仅能准确确定一些已知的缺陷，且还能发现人眼不易观察的缺陷，使设备维护人员能更加准确和轻松地定位GIS设备故障，从而为GIS设备的检修提供了技术支持。

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