層析成像技術(shù)在小型變壓器檢測(cè)中的應(yīng)用

張軒，萬(wàn)書(shū)亭，鄭欣，劉榮海

(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071003；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

層析成像技術(shù)在小型變壓器檢測(cè)中的應(yīng)用

張軒1，3，萬(wàn)書(shū)亭1，鄭欣2，劉榮海2

(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071003；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；3.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

層析成像技術(shù)可以準(zhǔn)確的反映物體的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)而無(wú)需破壞物體，層析成像獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后可直接生成三維數(shù)模，相比與以往的檢測(cè)技術(shù)，能夠直觀了解變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。通過(guò)展開(kāi)X射線CT掃描的這項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證其應(yīng)用于小型變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的可行性，尋找傳統(tǒng)解剖手段的代替方法。

CT系統(tǒng)；變壓器；無(wú)損檢測(cè)；衰減系數(shù)

0 前言

隨著城區(qū)配網(wǎng)的發(fā)展和農(nóng)網(wǎng)的不斷擴(kuò)展，35 kV以下的小型變壓器采購(gòu)快速增加。在實(shí)際運(yùn)行中，小型變壓器故障、燒毀等事故越來(lái)越常見(jiàn)。對(duì)大多數(shù)燒毀事故原因的分析表明，以鋁線代替銅線制作變壓器線圈是導(dǎo)致事故的根本原因。小型變壓器由于成本較低，制造工藝和用材往往控制不嚴(yán)格。由于裝配結(jié)構(gòu)、材質(zhì)代用、制造工藝等問(wèn)題導(dǎo)致的故障較多目前傳統(tǒng)的宏觀、稱重及電氣性能檢測(cè)無(wú)法識(shí)別由于裝配質(zhì)量、材質(zhì)代用等造成的設(shè)備安全性隱患。如何在小型變壓器投用前開(kāi)展有效的質(zhì)檢，需要尋找新的檢測(cè)技術(shù)。工業(yè)CT技術(shù)是工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱[1]，其成像原理是由多個(gè)不同方向的投影數(shù)據(jù)，采用反投影算法重建物體的剖面圖像。層析成像技術(shù)根據(jù)X射線從不同方向透照物體所得的影像，通過(guò)卷積反向投影算法，精確的還原被檢測(cè)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)密度分布狀態(tài)，其計(jì)算結(jié)果可通過(guò)3D模型的形式顯示。通過(guò)多角度投影數(shù)據(jù)合成，層析成像技術(shù)不但具有遠(yuǎn)優(yōu)于數(shù)字射線成像技術(shù)的分辨率，可發(fā)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部極小的材料密度變化[2]，還能夠分辨被檢測(cè)物體的各種結(jié)構(gòu)部件的三維空間位置，同時(shí)通過(guò)多角度計(jì)算透照能量，還可以反映物體內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的材質(zhì)。

1 高能工業(yè)CT系統(tǒng)

射線源為9 MeV電子直線加速器的高能CT檢測(cè)系統(tǒng)，是用9 MeV電子直線加速器產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖軔致輻射而產(chǎn)生的X射線能夠有效地穿透物質(zhì)[3]，同時(shí)配備了大尺寸弧形線陣探測(cè)器和大尺寸平板探測(cè)器，兼容二代和三代等多種CT掃描模式。系統(tǒng)檢測(cè)直徑最大可達(dá)1 000 mm，檢測(cè)高度最大可達(dá)1 500 mm，檢測(cè)重量最重可達(dá)1噸。空間分辨率可達(dá)1.5 Lp/mm，密度分辨率可達(dá)1%。

如圖1所示，射線源工作產(chǎn)生X射線流穿過(guò)工件，工件各部分因結(jié)構(gòu)和密度不同對(duì)X射線的吸收不同，探測(cè)器接受經(jīng)工件吸收后的X射線產(chǎn)生一幅DR投影圖像，工件旋轉(zhuǎn)到下一位置再產(chǎn)生一幅投影，當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)360度后獲得工件在各個(gè)角度下的投影，經(jīng)工作站進(jìn)行海量數(shù)據(jù)處理后重建出工件的CT斷層圖像。

圖1 工作布局圖

2 CT系統(tǒng)檢測(cè)材料的確定

2.1 材料相對(duì)衰減系數(shù)的測(cè)算

工業(yè)檢測(cè)對(duì)象材料密度高且變化范圍大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難準(zhǔn)確定量測(cè)量被檢工件的密度[4]。并且射線機(jī)發(fā)出的都是連續(xù)譜X射線，在穿過(guò)物體過(guò)程當(dāng)中，低能射線將優(yōu)先吸收，使穿過(guò)物體后的射線平均有效能量提高，即產(chǎn)生了所謂的 “射束硬化”現(xiàn)象[5]。連續(xù)譜X射線在物體的相同部位造成物體線衰減系數(shù)是一個(gè)不固定值，不同能量的X射線有著不同的線衰減系數(shù)。即使物體的不同部位組分和密度完全相同，但是線衰減系數(shù)也會(huì)隨著X射線透照方向和路徑的不同而不同。

為了簡(jiǎn)化模型，采用 “等效能量”的概念[5]。一個(gè)單能X射線CT系統(tǒng)和連續(xù)潛X射線CT系統(tǒng)與在材料中引起測(cè)量分布的CT值相同。于是單能的X射線的能量和連續(xù)譜X射線CT系統(tǒng)的能量等效。有了這個(gè)概念，連續(xù)光譜的X射線理論就可以應(yīng)用單能X射線理論，得到的密度的CT測(cè)量值與實(shí)際值非常接近。

探測(cè)器的每一個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)應(yīng)該像素到射線源點(diǎn)這一條直線上透過(guò)的物體。當(dāng)沒(méi)有透照物時(shí)，測(cè)量得灰度值對(duì)應(yīng)初始信號(hào)強(qiáng)度I0，當(dāng)中間有物體時(shí)，測(cè)得經(jīng)物體衰減后的信號(hào)強(qiáng)度I，并有以下關(guān)系式

進(jìn)而得

根據(jù)計(jì)算的K值，查相對(duì)衰減系數(shù)表值，可以確定材料的范圍。T2/T1之值為兩種材料的透照厚度比。

2.2 透照厚度比計(jì)算 (T2/T1)

圖2是繞組的透照厚度示意圖，T1、T2為二級(jí)，一級(jí)線圈截面的中心點(diǎn)，可在DR圖像上測(cè)量對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值。T3點(diǎn)為鐵芯截面中心點(diǎn)，可在DR圖像中測(cè)量對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值。根據(jù)結(jié)構(gòu)條件，測(cè)量出二級(jí)線圈、一級(jí)線圈，鐵芯透照厚度比值，可以近似計(jì)算出T2/T1值。有如下關(guān)系：

圖2 繞組的透照厚度示意圖

3 小型變壓器CT檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 不同材料的DR對(duì)比實(shí)驗(yàn)

對(duì)于相同厚度的鋁、銅、鐵、鉛，因它們的密度不同對(duì)射線的吸收也不同，反映在DR數(shù)字圖像上的灰度值不同。

對(duì)于用鐵殼包裹的銅繞組，可利用Fe+Cu方式聯(lián)解出各自的衰減系數(shù)。

Fe+Cu的衰減路徑為：

則

若各材料厚度能夠得知，再得到一組TI、T2值不同的衰減數(shù)據(jù)，則聯(lián)立公式，通過(guò)射線強(qiáng)度變化測(cè)算其各自衰減系數(shù)。

3.2 變壓器CT檢測(cè)結(jié)果

變壓器有銅，鐵，鋁等金屬材質(zhì)組成，根據(jù)灰度值的深淺不同還可初步判定內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是由不同材料的金屬組成，但是無(wú)法確定具體金屬的材料，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不是很清晰。

對(duì)變壓器進(jìn)行進(jìn)一步 CT檢測(cè)，通過(guò) VG Studio MAX 2.2軟件將剖面數(shù)據(jù)重建為樣品的三維實(shí)體模型，并展示不同方向的剖面，從CT檢測(cè)數(shù)據(jù)可以清晰地分辨變壓器/互感器鐵芯，繞組等結(jié)構(gòu)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)后得到變壓器各部分灰度值及推算的密度結(jié)果，如表1所示。

表1 變壓器數(shù)據(jù)處理

變壓器的內(nèi)外線圈材料的相對(duì)衰減系數(shù)比值K=0.21，是以T2點(diǎn)材料為基準(zhǔn)所得，若T2材料為銅，查銅的相對(duì)衰減系數(shù)表2：

表2 物質(zhì)的相對(duì)衰減系數(shù)表

K=0.21與鋁的0.22值相近，所以變壓器外級(jí)線圈材料應(yīng)是鋁，內(nèi)級(jí)線圈是銅。CT圖像反應(yīng)的為斷層剖面，其灰度值就是該物質(zhì)的直接影像灰度值。所以可以根據(jù)CT值的不同大致區(qū)分內(nèi)部材質(zhì)。具體檢測(cè)時(shí)，可以通過(guò)已知鐵的CT值來(lái)判斷內(nèi)部繞線是否為Cu和AL等信息。

已知B2件提桿材質(zhì)為鐵，可以看出其中灰度在58 000左右的為鐵；在45 000左右的為鋁；在10 000左右的為陶瓷。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于9MeV高能工業(yè)CT可以對(duì)小型變壓器電力設(shè)備部件進(jìn)行無(wú)損的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)檢測(cè)。

1)如已知一種材料，如繞芯材料為Fe，或已知一級(jí)線圈為銅，同時(shí)測(cè)算得到透照材料的準(zhǔn)確厚度或厚度比，則可以通過(guò)以該種材料為基礎(chǔ)計(jì)算得到其他材料的衰減系數(shù)。

2)可以清楚的觀察變壓器內(nèi)部件情況，準(zhǔn)備的檢測(cè)出缺陷所在位置。在本實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)有一定的誤差，可能是散射，工件結(jié)構(gòu)等因素造成的，但不影響對(duì)已知材料范圍的判別。利用基于CT斷層的三維數(shù)字重構(gòu)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部任意斷面切割觀察，生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以用于后期的建模、工藝優(yōu)化和設(shè)計(jì)仿真。

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Application of Tomographic Imaging Technique in Small Transformer Testing

ZHANG Xuan1，3，WAN Shuting1，ZHENG Xin2，LIU Ronghai2
(1.School of Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.North China Electric Power University Graduate Workstations，Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China)

X-ray CT scanning can accurately reflect the object of internal and external structure without damage，the CT imaging data obtained after computer processing can be directly generated three-dimensional mathematical model.By an X-ray CT scanning of verify the application of this technology in small transformer internal structure feasibility of nondestructive testing，find the anatomy method instead of traditional way.

CT system；transformer；nondestructive testing；attenuation coefficient

TM407

B

1006-7345(2015)05-0102-03

2015-04-17

張軒 (1989)，男，碩士，華北電力大學(xué)，從事?tīng)顟B(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷、無(wú)損檢測(cè)工作 (e-mail)13759414540＠163.com。

萬(wàn)書(shū)亭 (1970)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與故障診斷工作。

鄭欣 (1984)，男，工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，主要從事電網(wǎng)、電廠重要部件失效分析工作 (email)ssbn2000＠sina.com。