基于x射线成像技术的复合绝缘子检测方法研究

基于x射线成像技术的复合绝缘子检测方法研究

0x射线无损检测技术复合绝缘材料也被称为合成绝缘材料，通常由伞盖、玻璃芯棒和金属丝组成。由于其质量轻、耐污、防水、橡胶、高强度和维护方便，它在中国悬挂网络中运营了近1000万公里（相当于110kv）。但是近年来一部分挂网运行一定年限的复合绝缘子出现绝缘性能劣化和趋于击穿等问题,有些甚至已经发生质量事故[现在常用的复合绝缘子检测方法有机械法、巡视法、红外成像法、紫外成像法、电场法、超声法等。机械法是复合绝缘子进行的诸如拉伸强度等出厂检测和入网检测,以测试芯棒与金具连接紧密程度、芯棒强度等,该方法主要针对未使用产品进行,用户对已运行一定年限的复合绝缘子进行检测缺乏相关标准且此类检测设备占地广、费用高[笔者提出将X射线无损检测技术引入复合绝缘子检测领域。X射线发现至今已逾百年,其在医药、航天、机械等行业已广泛采用。该技术目前的代表方向为直接数字成像,具体分为电脑直接成像技术(computerradiography,CR)和数字平板直接成像技术(directordigitalpanelradiography,DR)两种文中采用效率更高的X射线DR技术对出厂产品和在网运行一定年限的复合绝缘子进行透视检测,在不对被检绝缘子进行解体的情况下,几秒钟就可得到复合绝缘子任意检测位置的对比度高的内部结构直观展现图,从事检测的人员只需简单培训即可进行现场检测并根据X射线成像图进行诊断。该技术不受场地、环境限制,同时所用的X射线数字平板直接成像系统还可应用于GIS、罐式断路器等输变电设备的检测笔者首先进行了出厂复合绝缘子的X射线透视能力的验证,并得到了一组适合于复合绝缘子X射线检测的参数及其选择方法,再在实验室利用该参数对出厂复合绝缘子进行常见内部缺陷的模拟和检测,在实验室研究的基础上对成批的在网运行一定年限的复合绝缘子进行了现场检测,所得结果支持了实验室研究结论,肯定了X射线无损检测技术对复合绝缘子内部缺陷进行检测的能力和可行性。1平板探测器成像技术简介DR是一种X射线直接转换技术,它使用不可弯曲的硬质平板探测器接收X光,再由平板探测器上覆盖的晶体电路把X线光子直接转换成数字化电流后,直接将图像信息呈现在计算机上。与CR和线阵列扫描成像技术(LDA)相比,DR技术所用设备体积小;在两次照射期间,不需更换图像板,故只需30s左右就可以观察到信噪比、分辨率均高于CR技术的X射线成像图;平板探测器可做成大面积平板以一次曝光形成更大区域的图像,不需移动被检工件,检测速度和效率远远高于CR和LDA技术[笔者利用由云南电力试验研究院开发研制的基于X射线的电力设备数字成像透视检测系统对复合绝缘子进行透视检测,该系统由便携式X射线机(0.3MeV,焦点尺寸为3.0mm(EN12543),1.0mm(IEC336))、平板探测器(非晶硅,成像面积为410mm×410mm,图像分辨率2.5Lp/mm)、移动工作站、远程控制箱、附件等组成,见图1。现场工作时,远程控制箱通过远程控制电缆控制X射线机,平板探测器通过数据采集线接收移动工作站的控制指令,并将图像数据回传,专业人员随即在移动工作站上对图像进行处理、显示后即可得出检测结果。远程控制箱发出指令到移动工作站显示最终清晰的X射线数字图像仅需30s,极大地提高了X射线在现场检测的效率。2检测工艺缺陷及检测检测依据复合绝缘子隐患及缺陷易发生位置将复合绝缘子划分为伞套区(包括护套和伞裙)、芯棒区(不包括金具区段内部)、伞套与芯棒胶结面、金具区段4大区域,区域界线见图2。伞套区易发生因运输、老化、电晕等造成的伞裙、护套的缺损甚至产生电蚀等;芯棒区曾经发生由于制作工艺问题芯棒残留划痕的缺陷;伞套与芯棒胶结面经常发现的是伞套与芯棒胶结不紧密,存在气隙;而在金具区段最常见的就是因护套厚度不足或者密封不良而导致芯棒酸蚀脆断和普通断裂,金具本身一般质量稳定首先在试验室对±500kV直流用复合绝缘子进行单双结构单元透照,透照结果初步确定了X射线对复合绝缘子进行透照检测的可行性。接着,通过对复合绝缘子区段的大量试验,初步确定了复合绝缘子X射线透照检测参数。并利用该参数对复合绝缘子缺陷及隐患易发生区域模拟缺陷进行了检测,检测效果良好,最终确定了可行性。最后,利用该系统对几个批次的挂网运行了几年的复合绝缘子进行普检,护套厚度不足、护套与金具胶结不紧密及护套内部气道等典型内部缺陷案例的检出充分验证了X射线对复合绝缘子透照检测的可行性和有效性。2.1模拟测试首先进行试验室模拟检测,以验证X射线对复合绝缘子透照检测和缺陷诊断的可行性。2.1.1轴向和横向检测X射线DR检测技术对复合绝缘子透照能力的检验是该系统利用表1参数对复合绝缘子的单结构单元和双结构单元分别进行轴向和横向检测,单结构单元轴向长度为19.5cm,双结构单元轴向长度为35cm,X射线成像图见图3。从图3可以看出X射线可对复合绝缘子单、双结构单元进行透照,且透照能力良好,X射线对复合绝缘子透照检测是可行的。2.1.2透照参数优化在X射线无损检测中参数的选择是至关重要的。这里的参数指基于X射线的电力设备数字成像透视检测系统的管电压U、管电流I、焦距F和曝光时间T,这些参数直接影响所成影像的对比度和清晰度,进而影响诊断结果。故在验证了X射线DR系统对复合绝缘子的透照能力后,有必要对该系统的透照参数进行优化,以得到优质图像[27]。因X射线对复合绝缘子尤其是混合了金属、玻璃纤维和硅橡胶的金具区段的无损检测尚无报道,这里以选取U=40～100kV,I=3～5mA,T=4～8s,F=400～1000mm为范围对同一复合绝缘子的不同区段进行不同参数组合透照试验,配合像质计灵敏度评定和图像细节评定初步确定该系统对±500kV直流用复合绝缘子透照检测参数为U=70kV,I=5mA,T=8s,F=850mm。在下文中对复合绝缘子进行透照检测均采用该参数。2.1.3x-射线模拟缺陷模拟检测针对图2所示复合绝缘子伞套区、芯棒区、伞套与芯棒胶结面、金具区段4大区域分别模拟常见缺陷,并以所选参数对这些模拟缺陷进行透视检测,验证了X射线对复合绝缘子常见缺陷透照检测的可行性和有效性。2.1.4模拟结果与模拟缺陷的对比首先将试验绝缘子截段,并将伞套与芯棒剥离,剥离后重新套装,但不胶结,以模拟伞套之间可能出现的胶结不紧密如接缝。缺陷布置情况和所获X射线效果图见图4、5。图5所示结果与图4模拟缺陷相符,而图5框内所示为试验绝缘子截段剥离端与未剥离端伞套接缝。在试验绝缘子段伞套内侧刻划深约0.5mm的V字形刻痕,并将该段芯棒截去,以模拟伞套内侧因加工工艺造成的缺损,所获X射线数字图像见图6。图6所示结果与模拟缺陷2相符。上述结果说明了X射线可对复合绝缘子伞套区接缝、缺损缺陷进行可视化检测的可行性和有效性。2.1.5芯棒局部试块缺陷设计将试验绝缘子串剥离端护套去除,在裸露芯棒上人工添加轻微烧蚀(区域大小约1cm×1cm,区域表面未产生黑色粉末,区域距离芯棒端部5cm)和轻微一字形划痕(深约1mm,划痕距芯棒端部17cm),模拟芯棒因制造工艺产生的划痕和因局部放电点造成的烧蚀缺陷,缺陷布置情况和所获X射线数字图像见图7,其中图7中右框所示为轻微烧蚀,左框所示为轻微划痕。芯棒区模拟缺陷1的X射线成像图见图8。图8所示结果中轻微划痕与图7芯棒区划痕模拟缺陷相符,如图8中框部所示,但是轻微烧蚀未能检出。上述结果说明了X射线对复合绝缘子芯棒区轻微划痕缺陷进行可视化检测的可行性和有效性。2.1.6剥离端图像获取将试验绝缘子串区段一侧数个伞套剥离,重新套装,同时加以紧固,以模拟伞套与芯棒胶结不紧密存在气隙缺陷,缺陷布置情况见图9,图9中框部所示即为剥离端。所获X射线数字图像见图10。图10(a)经与同型号出厂复合绝缘子的护套与芯棒胶结面X射线成像图(图11)比较后确认,图10(a)框内所示区域即为伞套与芯棒胶结不紧密区域,尤其是图10(b)中箭头所示即为模拟缺陷用试验绝缘子串伞裙与芯棒之间间隙最明显之处,从而说明了X射线对伞套与芯棒胶结面达到一定程度的间隙进行可视化检测的可行性。2.1.7x射线检测金具段所选参数的确定由于金具区段内部结构较复杂,且该处为复合绝缘子强度最高、连接最紧密处,不易进行模拟缺陷的布置,同时X射线对金属类器物的检测能力较为突出,所以这里仅对金具区段利用所选参数进行了验证性透照,所获X射线数字图像见图12。图12说明,所选参数对于金具区段的检测也是适用的。2.2陡波击穿试验结果试验室模拟缺陷的X射线透视检测验证了X射线对复合绝缘子内部缺陷进行透照检测的可行性,接下来笔者对一批在网运行3年以上的±500kV复合绝缘子进行了X射线普检,对其中个别复合绝缘子的疑似内部缺陷区域进行了细检,检出了伞套缺损、护套厚度不足、芯棒断裂原因等现场应用案例,所得结果充分验证了试验室的结论,肯定了X射线对复合绝缘子内部缺陷进行透照检测的可行性和有效性。以下是一些典型应用案例的介绍。在对某批次的±500kV直流线路用复合绝缘子进行检测的过程中,发现有28支复合绝缘子的高压侧端部护套厚度不均匀,有30支复合绝缘子的高压侧端部护套与金具连接之处疑似有间隙,笔者即依照国标检测1:图13(a)即为28支中,被陡波试验击穿的复合绝缘子高压侧端部护套在陡波试验前的X射线成像图,利用相似原理获得护套厚度数值,见表2,其中击穿区域为图13(a)中上部框中所示区域,未击穿区域为下部框中所示区域。图13(b)即为该支绝缘子陡波试验击穿孔之一,该击穿孔直径约1.5mm。表2中第3、4组数值相差较大。将该区域解剖后,于第3、4次测量位置进行实际测量,所得数值为:击穿区域1.31mm和3.30mm,未击穿区域则为1.75mm和4.00mm,差值最大为0.79mm,约为设计尺寸的20%,见图14。据此得出结论:陡波击穿区域护套厚度不足,是导致该区域被击穿的主要原因。另一直径为1.0mm的陡波孔X射线成像图所得结果也验证了此结论。检测2:图15(a)即为30支中,被陡波试验击穿的高压侧端部护套与金具连接之处疑似有间隙的在陡波试验后的X射线成像图,图15中右部框中所示区域即为陡波击穿区域,该处复合绝缘护套与金具胶接处有明显间隙,该间隙(在X射线图上)最宽处经测量约为1.33mm;上部框中区域在金具端部与第一伞裙之间护套内部靠近金具端部约3mm处,经现场检视,判定为非表面接缝等缺损区域,疑为绝缘护套内部非正常通道。为验证复合绝缘护套与金具胶接处有明显间隙及确定图15(a)上部框内区域缺陷类型,将该绝缘子解剖后,结果见图16。如图16所示。图16(a)、(b)中,陡波击穿区域可轻易掀起,且护套与金具台阶面胶接界面无橡胶粘结痕迹和残留,而有黑灰色电蚀痕迹,据此判定,该区域陡波击穿是该处护套与金具之间存在间隙;图16(c)、(d)对应图15上部框区域,为金具端部与第一伞裙之间护套内部靠近金具端部约3mm处环绕芯棒约3/4周的一条内部三角气道,因该处护套厚达3.5cm而未在陡波试验中发生击穿。检测3:某电厂500kV线路上地线用悬垂复合绝缘子在线路舞动时发生断裂,笔者利用所选参数对该断裂复合绝缘子金具区段进行检测,被检对象见图17。透照所获得的X射线成像图见图18,从图18可以看出,该绝缘子断裂端的金具除外壁有可见裂纹外,其内壁有长约1/4圈的周向裂纹,内壁裂纹明显长于外壁,显示裂纹起源于内壁。同时目检该绝缘子断裂面无锈蚀等雨水渗入痕迹且该绝缘子仅挂网运行3个月,对照国际大电网会议“关于鉴别FRP(树脂充注玻璃纤维)复合绝缘子芯棒脆性断裂的指导性意见”判定该处芯棒断裂不为常见的因芯棒与金具结合面密封不严而造成的酸性腐蚀断裂,而为普通断裂,为该复合绝缘子瞬时受到的沿线路方向的向上的弯折应力超过其耐受阈值而致使其断裂。3复合绝缘子芯棒断裂检测有待加强1)X射线可对护套内侧缺损、芯棒微小缺损、护套厚度不达标、护套与金具胶结不紧密存在间隙、护套内部气道、芯棒断裂等内部缺陷有一