Опыт применения бетатрона для рентгенографии специального дефектного образца высоковольтного маломасляного выключателя

Page 1

Page 2

диагностика и мониторинг

Опыт применения
бетатрона для рентгенографии
специального дефектного
образца высоковольтного
маломасляного выключателя

По материалам

VI Научно-практической конференции

КОНТРОЛЬ

ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ

ОБОРУДОВАНИЯ

ОБЪЕКТОВ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

УДК 621.386.8

Дарьян

д.т.н., директор по научно-

техническому сотрудничеству

АО «Техническая инспекция ЕЭС»

Грабчак

к.э.н., заместитель Министра

энергетики РФ

Образцов

к.т.н., начальник отдела

методологического обеспечения

АО «Техническая инспекция ЕЭС»

Никитин

начальник отдела ФГУП «РФЯЦ –

ВНИИТФ им. ак. Е.И. Забабахина»

Казак

инженер-исследователь

ФГУП «РФЯЦ – ВНИИТФ

им. ак. Е.И. Забабахина»

Озеров

главный специалист ФГУП

«ВНИИА им. Н.Л. Духова»

статье

представлены

результаты

рентгенографических

исследований

специ

ального

дефектного

образца

(

СДО

)

высоковольтного

маломасляного

выклю

чателя

серии

ВМТ

класса

напряжения

110

кВ

(

ВМТ

-110).

качестве

источника

рентгеновского

излучения

использован

бетатрон

максимальной

энергией

фо

тонов

— 9

МэВ

Показано

что

применение

рентгенографической

системы

бета

троном

качестве

источника

рентгеновского

излучения

для

контроля

техниче

ского

состояния

высоковольтного

маслонаполненного

оборудования

позволяет

выявить

не

менее

75%

характерных

видов

дефектов

исследованного

выключате

ля

Достоверность

выявления

дефектов

подтверждена

путем

сопоставления

фак

тически

нанесенных

дефектов

на

СДО

изображениями

получаемыми

на

рент

генограммах

Результаты

исследований

показали

что

разрешение

изображений

на

рентгенограммах

не

хуже

мм

оригинальном

масштабе

оборудования

Ключевые

слова

рентгенография, рентгенографи-

ческий контроль, высоковольтное

оборудование, дефект, специаль-

ный дефектный образец, мало-

масляный выключатель

последние несколько лет в Российской Федерации

ведутся работы по созданию технологии рентгено-

графического обследования высоковольтного обо-

рудования (ВВО). Разработан опытный образец

приборно-аналитического комплекса, содержащего в каче-

стве источника излучения специализированный рентгенов-

ский аппарат моноблочного типа с постоянным напряжени-

ем на трубке и максимальной энергией излучения 400 кэВ.

Результаты опытно-промышленной эксплуатации (ОПЭ)

этого комплекса подтвердили возможность рентгенографи-

ческого контроля технического состояния ВВО в эксплуата-

ции [1]. При этом решающая роль в обеспечении эффек-

тивности рентгенографии принадлежит характеристикам

приборно-аналитического комплекса (ПАК).

Анализ современных источников излучения, которые

могут быть применены для рентгенографического контро-

ля технического состояния оборудования электрических

станций и подстанций, показал, что могут быть использо-

ваны источники трех типов [2]:

– рентгеновские аппараты (импульсные или с по-

стоянным напряжением на трубке);

– радионуклидные источники;

– бетатроны (ускорители элементарных частиц).

Каждый из этих типов источников для рентгенографии

ВВО имеет свои достоинства и недостатки [2]. Так, напри-

мер, радионуклидные источники при высокой проникающей

способности излучения имеют линейчатый энергетический

спектр гамма-излучения. Учитывая то, что внутренние

Page 3

элементы ВВО изготовлены из материалов с сильно

различающейся степенью ослабления для рентгенов-

ского излучения различной энергии, при рентгеногра-

фии ВВО предпочтительно использовать источники

с непрерывным спектром излучения — рентгеновские

аппараты и бетатроны. Эти источники позволяют за

одну экспозицию при рентгенографии исследуемо-

го объекта получить больше информации о его вну-

тренних элементах, которые изготовлены из веществ

с различными коэффициентами ослабления ионизи-

рующего излучения.

Срок службы всех видов источников излучения

определяется их ресурсом. При этом, если расходо-

вание ресурса для рентгеновских аппаратов и бета-

тронов происходит в процессе их эксплуатации, то

для радионуклидных источников расходование ре-

сурса происходит вне зависимости от режима экс-

плуатации и определяется временем распада и де-

градации источника — назначенным сроком службы.

Так, например, для источника на основе иридия-192

назначенный срок службы составляет всего 3 года

с момента изготовления. При этом использование

бетатрона для контроля технического состояния

ВВО в эксплуатации встречает ряд затруднений, по

сравнению с рентгеновским аппаратом, из-за боль-

шей массы излучателя (например, масса излучателя

малогабаритного бетатрона МИБ-9 — 160 кг). То есть

без автомобиля со специализированным манипуля-

тором обследование ВВО с применением бетатрона

в условиях станции или подстанции будет крайне

затруднительно, что обусловит низкую производи-

тельность неразрушающего контроля. Однако при

стационарном размещении бетатрона, например, на

заводе-изготовителе ВВО, такой тип источника мо-

жет быть весьма эффективен.

Импульсные рентгеновские аппараты могут быть

ограниченно использованы для контроля техниче-

ского состояния ВВО, так как импульсный характер

работы рентгеновской трубки обуславливает ее ма-

лый ресурс и более низкую энергию излучения (при

прочих равных условиях, по отношению к источни-

кам других типов) и, соответственно, меньшую про-

никающую способность излучения. В отличие от

импульсных, рентгеновские аппараты с постоянным

напряжением генерируют стабильное излучение

с высокой проникающей способностью и постоянную

мощность экспозиционной дозы, что очень важно

для рентгенографии ВВО.

Так, например, при использовании рентгеновско-

го аппарата российского производства (созданного

на основе уникальной отечественной рентгеновской

трубки, не имеющей аналогов в мире), возможно

получить излучение с энергией квантов до 400 кэВ

при массе излучающего блока (моноблока) не более

25 кг [3]. Применение такого типа источника рентге-

новского излучения позволило выполнить комплекс

исследований для оценки возможностей рентгено-

графии ВВО [1].

Таким образом, в научно-технической литературе

имеется информация о результатах применения для

рентгенографии ВВО только первых двух типов ис-

точников ионизирующего излучения (радионуклид-

ные источники и рентгеновские аппараты, традици-

онно применяемые для неразрушающего контроля)

[2, 4–8]. При этом, как показано в [9], одним из ос-

новных направлений развития рентгенографии ВВО

является расширение как перечня обследуемого

оборудования, так и перечня выявляемых рентге-

нографией дефектов. Это может быть достигнуто,

в первую очередь, за счет применения источников

ионизирующего излучения с высокоэнергетическим

спектром.

Целью настоящей работы явилась оценка воз-

можностей рентгенографической системы с бетатро-

ном в качестве источника излучения для диагности-

рования ВВО.

В настоящих исследованиях использован малога-

баритный бетатрон МИБ-9 отечественного производ-

ства, а в качестве детектора — фотолюминесцентный

запоминающий экран. Основным преимуществом

бетатрона МИБ-9 перед прочими источниками иони-

зирующего излучения является высокая проника-

ющая способность излучения (до 300 мм стали),

обеспечиваемая высокой энергией излучения (до

9 МэВ) и, как следствие, малое время экспозиции.

ОБЪЕКТ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Для достижения поставленной цели нами исследо-

ван специальный дефектный образец высоковольт-

ного маслонаполненного выключателя ВМТ-110 с ха-

рактерными дефектами внутренних конструктивных

элементов, рентгенографические изображения ко-

торых сопоставлены с фактически имеющимися де-

фектами.

Выключатель ВМТ-110 состоит из трех полюсов

(рисунок 1). На конструктивных элементах двух по-

люсов (А и В) искусственно нанесены характерные

Рис

. 1.

Выключатель

ВМТ

-110

Изолятор

дугогасительной

камеры

Опорный

изолятор

№

3 (60) 2020

Page 4

дефекты. Третий полюс выключателя (С) остался

в неизмененном состоянии и рассматривался в ка-

честве «эталонного» полюса. Полюс выключателя

представляет собой маслонаполненную колонну,

состоящую из опорного изолятора и изолятора ду-

гогасительной камеры. Внутри изолятора дугогаси-

тельной камеры расположены контактная группа

(подвижный и неподвижный контакты) и элементы

системы управления подвижным контактом: трос,

верхний ролик с пружиной и подшипник (рисунок 2а).

При этом дугогасительная камера расположена вну-

три стеклопластикового цилиндра (рисунок 2б). Вну-

три опорного изолятора расположены изоляционные

тяги и тросы системы управления подвижным кон-

тактом, а также устройство подогрева. Под опорным

изолятором внутри корпуса из алюминиевого спла-

ва, также заполненного трансформаторным маслом,

находится кулиса с закрепленными двумя тросами

с опрессовкой и двумя нижними роликами системы

управления подвижным контактом.

ХАРАКТЕРНЫЕ

ДЕФЕКТЫ

ВМТ

-110

Перечень характерных дефектов ВМТ-110 опреде-

лен нами по данным многолетней эксплуатационной

практики о повреждениях выключателей этой серии.

Полный перечень характерных дефектов ВМТ-110

в эксплуатации включает более 20 видов дефектов

[1], однако, некоторые из них могут быть выявлены

без разборки выключателя существующими сред-

ствами технического диагностирования или визу-

альным осмотром. Применяемые при этом методы,

например, основанные на измерении электрических,

механических и физико-химических показателей, яв-

ляются косвенными методами выявления дефектов

элементов конструкции и узлов выключателей. Рент-

генография же позволяет визуализировать дефекты

во внутреннем объеме оборудования. По этой при-

чине на конструктивные элементы СДО нанесены

те дефекты (таблица 1), которые возможно выявить

визуально (после разборки ВВО), на девяти внутрен-

них конструктивных элементах двух полюсов (А и В)

СДО нанесено 12 видов дефектов (рисунок 3).

Рис

. 2.

Внутренние

элементы

изолятора

дугогаситель

ной

камеры

ВМТ

-110 (

)

со

стеклопластиковым

цилин

дром

(

)

а)

б)

Стекло-

текстолитовая

(изолирующая)

тяга

Верхний ролик

с подшипником

Ролики

токосъемные

Штанги

Подвижный

контакт

Трос

Пружина

Табл. 1. Характерные дефекты ВМТ-110 и их имитация на СДО

№

Характерный дефект

Имитация дефекта на СДО

Узел

Деталь Полюс

1 Деформация

контактного стержня

Изгиб стержня на 3 мм (рис. 3а, рис. 7а)

Дуго-

гасительное

устройство

Контакт

подвиж-

ный

2 Износ контактной части

Уменьшение диаметра (рис. 3а)

3 Обгар контактной поверхности

Вставленная в отверстия в подвижном контакте

медная проволока диаметром 2 мм (рис. 3а)

4 Уменьшение высоты контактной

части

От свободного конца отрезана шайба такой

толщины, что контактная часть подвижного

контакта уменьшилась до 18 мм (рис. 3а)

5 Трещины на кожухе

Деформирована на 3–5 мм наружу оболочка

неподвижного контакта в 4-х местах сквозных

пропилов длиной 15–30 мм (рис. 3а)

Контакт

неподвиж-

ный

А и В

6 Повреждение троса

Расплетены 1 или 2 жилы троса (рис. 3а)

Система

управления

подвижным

контактом

Поли-

спастовое

устройство

А и В

7 Нарушение опрессовки троса

Пропилы на опрессовке глубиной до троса,

длиной 10 мм, шириной 1 мм (рис. 8а, рис. 8б)

А и В

8 Повреждение нижних роликов

Пропилы на бортах нижних роликов глубиной

2 мм, шириной 2 мм (рис. 3б)

А и В

9 Повреждение подшипника

Отсутствует сепаратор (рис. 10б)

А и В

10 Надлом пружины верхнего

ролика

Пружина распилена на две части (рис. 3а,

рис. 10а)

11 Трещины в изоляционных тягах Пропилы длиной 15–35 мм, шириной 1–2 мм,

глубиной 2–3 мм и насквозь (рис. 3а, рис. 9а)

Изоляци-

онная тяга

А и В

12 Трещины на внутренней поверх-

ности фарфорового изолятора

Пропилы длиной 25–35 мм, шириной 1–2 мм,

глубиной 2–3 мм (рис. 3в)

Дуго-

гасительное

устройство

Фарфо-

ровый

изолятор

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Page 5

РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ

СПЕЦИАЛЬНОГО

ДЕФЕКТНОГО

ОБРАЗЦА

Рентгенографическое исследование проведено на

лабораторной базе ФГУП «Российский Федеральный

Ядерный Центр — Всероссийский научно-исследо-

вательский институт технической физики имени ака-

демика Е.И. Забабахина». При проведении иссле-

дования СДО в качестве источника рентгеновского

излучения использован малогабаритный бетатрон

МИБ-9 (рисунок 4) отечественного производства, ос-

новные технические характеристики которого приве-

дены в таблице 2 [2].

Рентгенограммы фиксировались на фотолюминес-

центном запоминающем экране (ФЗЭ). Для фильтра-

ции низкоэнергетического и защиты от рассеянного

излучений перед ФЗЭ была установлена свинцовая

пластина толщиной 1 мм. Оцифровка изображений

Трещины

Повреждения

роликов

Трещины

Нарушения

опрессовки

троса

Износ контакта

Обгар контактной

поверхности

Повреждение

троса

Изгиб

контактного

стержня

Повреждение

подшипника

Повреждение

троса

Уменьшение

высоты

контактной

части контакта

Полюс А

Полюс B

Рис

. 3.

Полюсы

СДО

)

контактные

группы

системы

управления

подвижными

контактами

;

)

механизм

управления

подвижным

контактом

;

)

фарфоровый

изолятор

дугогасительной

камеры

б)

а)

в)

№

3 (60) 2020

Page 6

100

с ФЗЭ осуществлялась с ис-

пользованием цифрового

радиографического

ска-

нера с пространственным

разрешением 5 пар линий/

мм. Преимущест ва ФЗЭ по

сравнению с рентгеновской

пленкой:

– отсутствие необходимос-

ти проявки и обеспече-

ния

соответствующих

условий (темная комна-

та, проточная вода, хими-

ческие реак тивы), а так-

же зависимости качества

изображения на рентге-

нограмме от качества ре-

активов и навыков опера-

тора;

– возможность многоразового использования

экранов;

– высокая скорость оцифровки рентгенограммы

(~1 шт. в мин.);

– более высокая чувствительность (до 10 раз).

Отметим, что на рентгенограммах, полученных

на ФЗЭ, чем светлее область изображения, тем

больше эквивалентная радиационная толщина

соответствующих конструктивных элементов ис-

следуемого объекта. В то же время при получении

рентгенограмм на рентгеновской пленке — наобо-

рот: более темные области изображения соответ-

ствуют конструктивным элементам с большей эк-

вивалентной радиационной толщиной (негативное

радиографическое изображение).

По программе исследования была проведена

рентгенография двух полюсов СДО и бездефект-

ного третьего полюса выключателя по шести обла-

стям в соответствии со схемой, представленной на

рисунке 5.

Положение областей определялось относитель-

но нулевой отметки на полюсе (рисунок 6) в сле-

дующих позициях по длине: –1800 мм, –630 мм,

–280 мм, 350 мм, 550 мм, 1080 мм в ракурсах по

углу 0° (перпендикулярно раме выключателя), 90°

(вдоль рамы выключателя) и 45° в выключенном

и во включенном положении контактных групп. Вре-

мя экспозиции в зависимости от обследуемой обла-

сти объекта устанавливалось от 15 с до 41 с.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ

СПЕЦИАЛЬНОГО

ДЕФЕКТНОГО

ОБРАЗЦА

В ходе исследования получено более 50 рентге-

нограмм СДО, изображения внутренних конструк-

тивных элементов на которых были сопоставлены

с фактически имеющимися дефектами СДО. Также

проведено сравнение этих рентгенограмм с рентге-

нограммами бездефектного полюса выключателя.

Контроль

состояния

контактного

стержня

Контроль состояния контактного стержня полю-

са А СДО (рисунок 7а) выполнен по двум рентгено-

граммам в позиции 550 мм в двух взаимно перпен-

дикулярных ракурсах по углу: 0° (рисунок 7б) и 90°

(рисунок 7в). Продолжительность экспозиции для

этой области СДО составила 23 с. Контроль вы-

полнен с помощью двух па-

раллельных прямых линий,

дополнительно наложенных

на рентгенограммы вдоль

изображения

контактного

стержня.

Рис

. 4.

Излучатель

бетатрона

МИБ

-9

Табл. 2. Основные технические

характеристики бетатрона МИБ-9

Характеристика

Значение

Максимальная энер-

гия фотонов рентге-

новского излучения

9 МэВ

Максимальная про-

свечиваемая толщина

(Fe-эквивалент)

350 мм

Мощность экспозици-

онной дозы на рассто-

янии 1 м от мишени

20 Р/мин

Размер фокусного

пятна

0,3×3 мм

Масса излучателя

160 кг

Потребляемая

мощность

3600 Вт

Рис

. 5.

Схема

выполнения

рентгенографии

Рис

. 6.

Внешний

вид

полюса

СДО

отмеченным

положением

нулевой

отметки

(

)

его

рентгеновское

изображение

(

)

б)

Система

регистрации

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Page 7

101

На одной из рентгенограмм (рисунок 7б) обнару-

жено отклонение (в одном и том же направлении) от

прямолинейности обоих продольных контуров изо-

бражения контактного стержня, что соответствует

изгибу стержня (на рисунке — изгиб вправо). В то же

время на рентгенограмме в перпендикулярной пло-

скости (рисунок 7в) таких отклонений не обнаружено.

Следовательно, можно констатировать, что выявлен-

ный дефект контактного стержня — это его деформа-

ция в одной плоскости.

Контроль

состояния

опрессовки

тросов

Контроль состояния опрессовки тросов полюса А

СДО (рисунки 8а и 8б) выполнен по рентгенограмме

в позиции –1800 мм в ракурсе по углу 0° (рисунок 8в).

Продолжительность экспозиции для этой области

СДО составила 15 с.

При анализе рентгенограммы на рисунке 7в в об-

ластях закрепления тросов на кулисе системы управ-

ления подвижным контактом обнаружено наличие на

изображении опрессовки тросов темных продольных

полос, что соответствует трещинам. Таким образом,

выявлен дефект опрессовки тросов.

По результатам рентгенографии этой области СДО

можно оценить разрешение получаемого рентгено-

графического изображения, так как ширина пропилов

на опрессовке троса, имитирующих трещины, равна

1 мм. На рентгенограмме эти пропилы отчетливо вид-

ны (рисунок 8в), что подтвержда-

ет разрешение изображения не

хуже 1 мм в оригинальном мас-

штабе оборудования.

Контроль

состояния

изоляционных

тяг

Контроль состояния изоляци-

онных тяг системы управления

подвижным контактом полюса

В СДО (рисунок 9а) выполнен

по двум рентгенограммам в по-

зиции –630 мм в двух взаимно

перпендикулярных ракурсах по

углу: 0° (рисунок 9б) и 90° (ри-

сунок 9в). Продолжительность

экспозиции для этой области СДО составила 23 с.

Стоит отметить, что тяги изготовлены из стеклопла-

стика — материала, обладающего низким значением

показателя удельной рентгеновской толщины, при

том что внутри полюсов находится трансформатор-

ное масло, которое по своей способности поглощать

рентгеновское излучение близко к стеклопластику.

Ввиду этого можно предположить, что визуализация

деталей из стеклопластика на рентгенограммах бу-

дет затруднена.

На рентгенограмме рисунка 9б можно распо-

знать изображения двух тяг. Однако имитирующие

продольные трещины пропилы как несквозные, так

и сквозные не выявлены. В перпендикулярной пло-

скости (рисунок 9в) изображения обеих тяг совпали,

что существенно снизило информативность этой

рентгенограммы. По результатам анализа рентге-

нограмм на рисунке 9 можно сделать заключение,

что пропилы в стеклопластиковых изоляционных

тягах не обнаружены, следовательно, дефект изо-

ляционных тяг не выявлен.

Рис

. 7.

Идентификация

деформации

контактного

стержня

(

изгиб

)

Рис

. 8.

Идентификация

дефекта

опрессовки

тросов

в)

а)

б)

в)

Рис

. 9.

Выявление

трещин

изоляционных

тягах

б)

в)

б)

№

3 (60) 2020

Page 8

102

Контроль

состояния

подшипника

пружины

Контроль состояния подшипника и пружины верх-

него ролика системы управления подвижным кон-

тактом полюса В СДО (рисунки 10а и 10б) выполнен

по рентгенограмме в позиции 550 мм в ракурсе по

углу 0° (рисунок 10в). Продолжительность экспози-

ции для этой области СДО составила 23 с.

Анализ рентгенограммы на рисунке 10в показы-

вает, что расстояние между витками пружины разли-

чается, а шарики подшипника верхнего ролика рас-

положены неравномерно по периметру его оправы.

Такие несоответствия свидетельствуют о дефектах

деталей системы управления подвижным контактом:

повреждение подшипника (отсутствие сепаратора)

и надлом пружины верхнего ролика.

Сравнение

рентгенограмм

СДО

бездефектного

полюса

выключателя

Для практического применения представляет

интерес сравнение рентгенограмм конструктив-

ных элементов без дефектов (исходные рентгено-

граммы, полученные на исправном оборудовании)

и с дефектами (рентгенограммы, полученные, на-

пример, на неисправном оборудовании в эксплуа-

тации). Приведем результаты такого сравнения на

примере рассмотренных выше дефектов подшип-

ника и пружины верхнего ролика системы управле-

ния подвижным контактом.

На рисунке 11а представленная ранее рентге-

нограмма области подшипника и пружины верх-

него ролика полюса В СДО, а на рисунке 11б —

рентгенограмма той же области бездефектного

полюса выключателя (полюс С). Как видно на

рисунке 11а, витки пружины и шарики подшип-

ника расположены неравномерно, в отличие от

рисунка 11б, где наблюдается равномерное рас-

положение указанных элементов. Таким обра-

зом, путем сравнения рентгенограмм узла без-

дефектного полюса выключателя и узла СДО

выявлены повреждения двух внутренних дета-

лей выключателя.

Представленный подход к контролю техниче-

ского состояния конструктивных элементов обо-

рудования может быть использован при наличии

базы «эталонных» рентгенограмм в цифровом

формате, полученных, например, при приемо-

сдаточных испытаниях оборудования на заво-

де-изготовителе. Кроме того, при транспорти-

ровке оборудования также могут повредиться

или сместиться внутренние его элементы, по-

этому будет обоснованным выполнить рент-

генографию непосредственно после монтажа

оборудования на месте эксплуатации. Рентге-

нограммы поврежденных и(или) несоответству-

ющих технической документации внутренних

конструктивных элементов оборудования также

Рис

. 10.

Идентификация

повреж

дения

подшипника

надлома

пружины

Рис

. 11.

Сравнение

рентгенограмм

дефектного

(

повреж

дение

подшипника

надлом

пружины

верхнего

ролика

)

бездефектного

полюсов

выключателя

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

б)

а)

б)

в)

Page 9

103

должны размещаться в той же базе данных с опи-

санием дефектов по результатам вскрытия неис-

правного оборудования. Указанная база данных

будет являться инструментом для интерпретации

рентгенограмм находящегося в эксплуатации обо-

рудования различных видов и марок.

АНАЛИЗ

РЕЗУЛЬТАТОВ

РЕНТГЕНОГРАФИИ

СДО

На полученных с использованием бетатрона рент-

генограммах высоковольтного маломасляного

выключателя однозначно идентифицированы его

внутренние конструктивные элементы. Результа-

ты сопоставления изображений на рентгенограм-

мах СДО с фактически имеющимися дефектами

представлены в таблице 3.

Согласно данным таблицы 3 итог рентгеногра-

фических исследований СДО маломасляного вы-

ключателя серии ВМТ-110 с применением бетатро-

на следующий: из 12 наиболее распространенных

видов дефектов внутренних элементов выключа-

теля рентгенографией могут быть выявлены 9, что

составляет 75% в относительном выражении.

Дефекты роликов системы управления подвиж-

ным контактом не были выявлены по причине малой

эквивалентной радиационной толщины кромок роли-

ков, изготовленных из алюминиевого сплава. Анало-

гичная ситуация и по трещинам в стеклопластиковых

изоляционных тягах и на фарфоровой покрышке. То

есть изменение эквивалентной радиационной тол-

щины детали за счет наличия дефекта недостаточ-

но для формирования контрастного изображения на

детекторе. Здесь в первую очередь сказывается не-

гативная роль «жесткого» спектра излучения, так как

при таких высоких энергиях фотонов проникающая

их способность очень высока, причем для всех кон-

струкционных материалов. При этом информатив-

ность рентгенограмм снижается.

ПЕРСПЕКТИВЫ

ПРИМЕНЕНИЯ

БЕТАТРОНА

ДЛЯ

КОНТРОЛЯ

ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ

ВВО

На основании выполненных исследований по рент-

генографии выключателя ВМТ-110, в частности, с ис-

пользованием рентгеновского аппарата с напряже-

нием на трубке 400 кВ [1] можно провести некоторые

теоретические оценки относительно возможностей

рентгенографического обследования других видов

ВВО. Для этого проведены расчеты энергетических

спектров излучения рентгеновских аппаратов с раз-

личным анодным напряжением и расчеты ослабле-

ния излучения на различных преградах. При рас-

четах исходный энергетический спектр излучения,

рождающегося в мишени рентгеновской трубки, по

[11] моделировался по формуле Крамерса:

(

) =

· (

– 1),

(1)

где

— коэффициент пропорциональности (

≈ 10

-9

);

— ток, протекающий через рентгеновскую трубку, мА;

— атомный номер материала анода;

— макси-

мальная энергия квантов в спектре (равная энергии

электронов, падающих на мишень), кэВ;

— энергия

квантов рентгеновского излучения, кэВ.

Так как в данном расчете нет необходимости

определения абсолютной величины интенсивности

рентгеновского излучения аппарата (она для всех су-

ществующих аппаратов измерена эксперименталь-

но и указана в технических характеристиках, а для

перспективных аппаратов она может быть оценена

по аналогу), то при моделировании спектра рассчи-

тывалась относительная спектральная плотность

распределения рентгеновских квантов по энергиям.

Поэтому не зависящее от энергии излучения произ-

ведение

в формуле (1) принималось равным

единице, и на основе этого рассчитывались модели

энергетического спектра рентгеновского излучения

для различных энергий электронов.

Так как в соответствии с фор-

мулой (1) при

→ 0 получаем, что

(

) → ∞, то при моделировании

энергетических спектров нами был

установлен нижний энергетический

порог 10 кэВ. Это ограничение не

вносит заметных искажений в ре-

зультаты расчетов, так как ввиду

особенностей конструкции излуча-

телей (моноблоков) рассмотренных

рентгеновских аппаратов излучение

с энергией до 20 кэВ практически

полностью поглощается и не поки-

дает корпус аппарата.

Далее моделировалось осла-

бление рентгеновского излучения

по закону Бугера-Ламберта-Бера

[10, 11]:





(2)

где

— интенсивность излучения,

падающего на просвечиваемую сре-

ду, фотон·мм

-2

·с

-1

;

— интенсив-

ность излучения, прошедшего слой

вещества толщиной



, фотон·мм

-2

·с

-1

;

Табл. 3. Результаты идентификации дефектов СДО по рентгенограммам

№

Дефект СДО

Полюс А

Полюс В

1 Деформация контактного стержня (изгиб)

Выявлен

2 Износ подвижного контакта (уменьшение

диаметра)

Выявлен

3 Обгар контактной поверхности подвижного

контакта

Выявлен

4 Уменьшение высоты наружной части под-

вижного контакта

Выявлен

5 Трещины в неподвижном контакте

Выявлен

6 Повреждение троса

Выявлен

7 Нарушение опрессовки троса

Выявлен

8 Повреждение роликов системы управления

подвижным контактом

Не выявлен Не выявлен

Повреждение подшипников (отсутствуют

сепараторы) системы управления подвиж-

ным контактом

Выявлен

10 Надлом пружины верхнего ролика (блока)

системы управления подвижным контактом

Выявлен

11 Трещины в изоляционной тяге

Не выявлен Не выявлен

12 Трещины на фарфоровой покрышке

Не выявлен

—

дефект

на

детали

полюса

СДО

отсутствует

№

3 (60) 2020

Page 10

104



— толщина поглотителя, мм;



— линейный коэф-

фициент ослабления, мм

-1

При этом производился расчет ослабления излу-

чения по всему энергетическому спектру (рисунок 12)

с шагом 1 кэВ при помощи лабораторного програм-

мно-математического обеспечения, созданного авто-

рами на ПЭВМ (IBM PC AT-clone) с использованием

данных по коэффициентам ослабления излучения из

[10, 12]. Таким расчетным путем моделировались сле-

дующие физические эффекты:

– ослабление рентгеновского излучения в мишени

рентгеновской трубки;

– ослабление рентгеновского излучения конструкцией

излучателя (моноблока) рентгеновского аппарата;

– ослабление рентгеновского излучения при его про-

никновении сквозь исследуемый объект.

Для рентгеновского аппарата с рабочим напряже-

нием на трубке 400 кВ и исследуемого объекта ВМТ-

110 расчетное максимальное ослабление излучения

составляет приблизительно 9500 раз (по мощности

экспозиционной дозы) при средней энергии прошед-

шего излучения ≈300 кэВ. Это значение соответствует

области полюса ВМТ-110 с наибольшей эквивалент-

ной радиационной толщиной, которая моделирова-

лась как комплексная преграда следующего состава:

фарфор — 140 мм, медь — 20 мм, стеклопластик —

90 мм, трансформаторное масло — 100 мм.

При таких высоких значениях ослабления полез-

ного сигнала рентгенограмма будет преимуществен-

но создаваться рассеянным излучением, не несущим

информации о внутренних элементах исследуемого

объекта. Следовательно, для повышения информа-

тивности рентгенографии массивных гетерогенных

объектов необходимо обеспечивать высокую энергию

излучения (порядка нескольких МэВ).

Моделируя спектр излучения бетатрона МИБ-9 по-

сле прохождения сквозь такой же объект, получаем

значение ослабления излучения равным ≈20, а сред-

нюю энергию прошедшего излучения ≈3,9 МэВ. Если

к этому объекту исследования добавить на пути ра-

бочего пучка излучения, например, 100 см трансфор-

маторного масла, то суммарное ослабление первич-

ного излучения будет составлять ≈340 раз, а средняя

энергия излучения ≈5,2 МэВ. Ослабление же излу-

чения в 9500 раз (как указано выше для рентгенов-

ского аппарата при рентгенографии ВМТ-110) будет

наблюдаться, если на пути рабочего пучка излучения

добавить 230 см трансформаторного масла. Средняя

энергия излучения при этом составит ≈6,1 МэВ.

Из приведенной оценки следует, что при прочих

равных условиях, информативность рентгенограмм

выключателя ВМТ-110, полученных с использованием

бетатрона МИБ-9, на пути рабочего пучка излучения

которого еще находится 230 см трансформаторного

масла, будет аналогична полученной информатив-

ности при использовании рентгеновского аппарата

с напряжением на трубке 400 кВ для рентгенографии

отдельно выключателя ВМТ-110. При этом продолжи-

тельность экспозиции также будет аналогичной.

Таким образом, бетатрон будет являться опти-

мальным решением для рентгенографии маслона-

полненных конструкций размерами в направлении

рабочего пучка излучения до 2,5 м, в том числе с тол-

стостенным стальным корпусом и массивными вну-

тренними гетерогенными элементами из материалов

с высокой способностью ослабления рентгеновского

излучения (например, стальной магнитопровод, мед-

ные обмотки и т.п.).

Однако, учитывая, что проникающая способность

излучения бетатрона очень высока, причем, для всех

материалов, контраст металлических деталей на

рентгенограммах будет относительно невысок (прак-

тически, он будет определяться лишь разницей в фи-

зической плотности материалов). Кроме того, усилит-

ся действие рассеянного излучения на детектор, так

как с увеличением энергии излучения уже до 1 МэВ

повышается вероятность многократного рассеяния

излучения. Результат такого воздействия (рассеянно-

го излучения) становится очень сложно спрогнозиро-

вать и реально оценить его влияние можно только экс-

периментально. В худшем случае может получиться,

что представляющие интерес металлические детали,

находящиеся в середине исследуемого объекта, на

рентгенограмме могут быть практически полностью

«зашумлены» рассеянным излучением от масла меж-

ду этими деталями и детектором.

Существенное повышение информативности

рентгенограмм в этом случае, предположительно,

может быть достигнуто только применением скани-

рующей рентгенографической системы с узко колли-

мированными источником и детектором (просвечи-

вание веерным пучком рентгеновского излучения).

Но в этом случае для обеспечения коллимации излу-

чения такой высокой энергии потребуется массивная

конструкция, ориентировочно содержащая 2–3 тон-

ны свинца. Очевидно, что такую рентгенографиче-

скую систему возможно использовать в стационар-

ных условиях в специально оборудованных камерах.

ДИАГНОСТИКА

И МОНИТОРИНГ

Рис

. 12.

Модель

энергетического

спектра

излучения

рентгеновского

аппарата

постоянным

анодным

напря

жением

400

кВ

(

учетом

ослабления

излучения

мишенью

рентгеновской

трубки

конструкцией

излучателя

)

отн.

ед.

кэВ

400

300

200

100

Page 11

105

ВЫВОДЫ

1. Проведены рентгенографические исследования

специального дефектного образца высоковольт-

ного маломасляного выключателя серии ВМТ-110

с характерными дефектами. В качестве источни-

ка излучения использован бетатрон МИБ-9. По-

казана возможность выявления 75% характерных

видов дефектов выключателей серии ВМТ-110.

2. Установлено, что разрешение изображений на

рентгенограммах не хуже 1 мм в оригинальном

масштабе оборудования.

3. Предложено создать в цифровом формате базу

рентгенограмм, включающую «эталонные» рент-

генограммы (полученные на исправном оборудо-

вании) и рентгенограммы поврежденных и(или)

несоответствующих технической документации

внутренних конструктивных элементов оборудо-

вания. Эту базу предлагается использовать для

интерпретации рентгенограмм находящегося

в эксплуатации оборудования, а также при созда-

нии систем с искусственным интеллектом.

4. Показано, что малогабаритный импульсный

бетатрон типа МИБ является перспективным

источником рентгеновского излучения для

контроля технического состояния внутренних

элементов массивных высоковольтных масло-

наполненных аппаратов: масляных баковых вы-

ключателей, измерительных трансформаторов,

силовых трансформаторов до 4-го габарита

включи тельно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дарьян Л.А., Голубев П.В., Образ-

цов Р.M., Гончаров П.В., Котолив-

цев В.В., Гончаров Р.Г. Рентгено-

графическое обследование высо-

ковольтных выключателей. Опыт-

но-промышленная

эксплуатация

рентгенографического комплекса

// ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача

и распределение, 2019, № 1(52).

С. 134–141.

2. Дарьян Л.А., Образцов Р.M. Совре-

менные источники рентгеновского

излучения для контроля техниче-

ского состояния высоковольтного

оборудования // Энергоэксперт,

№ 2(70), 2019. С. 48–55.

3. Дарьян Л.А., П.В. Голубев, Образ-

цов Р.M. и др. Мобильное устройство

рентгенографического

контроля

высоковольтных выключателей. Па-

тент на полезную модель № 189440

RU, приоритет от 10.01.2019.

4. Michaelson J. SF6 Breaker & GIS In-

ternal Inspection Using Radiography.

URL: https:// library.e.abb.com.

5. Xiaolan Cai, Dada Wang, Hong Yu,

Xianping Zhao, Wei Zhang. The Ap-

plication of X-ray Digital Real-time Im-

aging Technology in GIS Defect Diag-

nosis // Procedia Engineering, 2011,

no. 23, pp. 137-143.

6. Armando H. Shinohara, Danilo M.F.

Santana, Pietro P.J.C. Oliveira. De-

fects Detection in Electrical Insulators

and Breaker for High Voltage by Low

Cost Computed Radiography Sys-

tems / DIR 2007 – International Sym-

posium on Digital industrial Radiology

and Computed Tomography, June 25-

27, 2007, Lyon, France.

7. Высокостабилизированное

про-

мышленное рентгеновское обо-

рудование ISOVOLT 160 / 225 /

320 / 450 / Titan E (с питанием от

трех- и однофазной сети). Руковод-

ство по эксплуатации. URL: https://

ncontrol.ru/upload/storage/.

8. Васькин И.В., Якуб А.А. Нераз-

рушающая диагностика электро-

оборудования методом рентгено-

графии в электрокомплексе ПАО

«Ленэнерго» // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ.

Передача и распределение, 2017,

№ 3(42). С. 112–114.

9. Дарьян Л.А., Образцов Р.M. Иссле-

дование перспективных техниче-

ских решений для рентгенографии

высоковольтного оборудования //

Энергия единой сети, 2019, № 3(45).

С. 62–69.

10. Бета- и гамма- спектроскопия. Под

ред. К. Зигбана. Пер. с англ. под

ред. Л.В. Грошева, В.Б. Берестецко-

го. М.: Физматгиз, 1959. 906 с.

11. Гурвич А.М. Физические основы

радиационного контроля и диагно-

стики. М.: Энергоатомиздат, 1989.

168 с.

12. Компьютерная программа ADSORB

(Версия 2.1) разработки Института

Атомной Энергии им. И.В. Курчато-

ва ЦАЯД МАЭП с использованием

базы данных из программы XCOM,

созданной в Национальном Бюро

Стандартов США, 1992.

REFERENCES

1. Darian L.A., Golubev P.V., Obraztsov

R.M., Goncharov P.V., Kotolivtsev V.V.,

Goncharov R.G. X-ray inspection of

HV circuit-breakers. Pilot operation of

the radiographical complex //

ELEK-

TROENERGIYA. Peredacha i ras

predeleniye

[ELECTRIC POWER.

Transmission and Distribution], 2019,

no. 1(52), pp. 134–141. (In Russian)

2. Darian L.A., Obraztsov R.M. Modern

X-ray sources are used for monitor-

ing of HV equipment technical condi-

tion //

Energoekspert

[Power expert],

no. 2(70), 2019, pp. 48–55. (In Russian)

3. Darian L.A., Golubev P.V., Obraztsov

R.M. and others.

Mobil’noye ustroys-

tvo rentgenogra

ﬁ

cheskogo kontrolya

vysokovoltnykh vyklyuchateley

[A mo-

bile radiographical monitoring device

for HV circuit-breakers]. Patent for

useful model no. 189440 RU, priority

dated 10.01.2019.

4. Michaelson J. SF6 Breaker & GIS In-

ternal Inspection Using Radiography.

URL: https:// library.e.abb.com.

5. Xiaolan Cai, Dada Wang, Hong Yu,

Xianping Zhao, Wei Zhang. The Ap-

plication of X-ray Digital Real-time Im-

aging Technology in GIS Defect Diag-

nosis // Procedia Engineering, 2011,

no. 23, pp. 137-143.

6. Armando H. Shinohara, Danilo M.F.

Santana, Pietro P.J.C. Oliveira. De-

fects Detection in Electrical Insulators

and Breaker for High Voltage by Low

Cost Computed Radiography Sys-

tems / DIR 2007 – International Sym-

posium on Digital industrial Radiology

and Computed Tomography, June 25-

27, 2007, Lyon, France.

7. Highly-stabilized industrial X-ray

equipment ISOVOLT 160 / 225 / 320

/ 450 /

Titan E

(supplied from three-

and single-phase mains). Operation

manual. URL: https://ncontrol.ru/up-

load/storage/.

8. Vas’kin I.V., Yakub A.A. Non-destruc-

tive diagnosis of electrical equipment

by means of X-radiography in PJSC

Lenenergo complex //

ELEKTRO-

ENERGIYA. Peredacha i raspredele-
niye

[ELECTRIC POWER. Transmis-

sion and Distribution], 2017, no. 3(42),

pp.112–114. (In Russian)

9. Darian L.A., Obraztsov R.M. Study

of perspective technical solutions for

X-radiography of HV equipment //

Energiya yedinoy seti

[Uniﬁ ed grid

power], 2019, no. 3(45), pp. 62–69.

(In Russian)

10. Beta- and gamma-ray spectroscopy.

Edited by Zigban K. Transl. from Eng-

lish under editorship of Groshev L.V.,

Berestetskiy V.B. Moscow, Fizmatgiz

Publ., 1959. 906 p. (In Russian)

11. Gurvich A.M. Physical basics of radia-

tion monitoring and diagnosis. Mos-

cow, Energoatomizdat Publ., 1989.

168 p. (In Russian)

12. Computer program ADSORB (version

2.1) designed by National Research

Center «Kurchatov Institute», in which

the database from XCOM program

designed in US National Bureau of

Standards is used, 1992.

№

3 (60) 2020

Оригинал статьи: Опыт применения бетатрона для рентгенографии специального дефектного образца высоковольтного маломасляного выключателя

Ключевые слова: рентгенография, рентгенографический контроль, высоковольтное оборудование, дефект, специальный дефектный образец, маломасляный выключатель

Читать онлайн

В статье представлены результаты рентгенографических исследований специального дефектного образца (СДО) высоковольтного маломасляного выключателя серии ВМТ класса напряжения 110 кВ (ВМТ-110). В качестве источника рентгеновского излучения использован бетатрон с максимальной энергией фотонов — 9 МэВ. Показано, что применение рентгенографической системы с бетатроном в качестве источника рентгеновского излучения для контроля технического состояния высоковольтного маслонаполненного оборудования позволяет выявить не менее 75% характерных видов дефектов исследованного выключателя. Достоверность выявления дефектов подтверждена путем сопоставления фактически нанесенных дефектов на СДО с изображениями, получаемыми на рентгенограммах. Результаты исследований показали, что разрешение изображений на рентгенограммах не хуже 1 мм в оригинальном масштабе оборудования.