氣體絕緣開關X射線三維成像檢測系統的研制及應用

張麗萍，石 泉，盧啟付，鐘 飛

(1.廣東電網有限責任公司, 廣州 510080；2.南方電網電力科技股份有限公司, 廣州 510080)

全封閉結構的電網設備如GIS(氣體絕緣開關)、斷路器等作為變電站廣泛使用的設備，其安全和可靠性至關重要。操作開關時的靜電力的作用、分合閘不到位引起的接觸不良、異物碎屑的移動、觸頭燒損、螺絲松動、結合不到位、結構變形、絕緣老化等現象都對設備的安全運行有著嚴重的影響。2012年廣東電網公司發生GIS故障5起，SF6(六氟化硫絕緣氣體)瓷柱式斷路器故障7起;2013年廣東電網10 kV及以上高壓開關設備共發生重大事故923次。

X射線三維成像檢測是一種數字化、智能識別采集圖像、檢測精度高、能直觀顯示切片并區分開重疊部件的先進技術，適合電網設備的現場檢測。其對于提高全封閉電網設備技術的監督能力，維護電力設備的安全穩定運行有著特別重要的意義。

目前，二維數字X射線檢測技術廣泛用于GIS檢測[1-2]，但是其難以區分盆式絕緣子的重疊影像，難以判斷盆式絕緣子是否有缺陷[3-8];回路電阻超標時，難以判斷接觸是否緊密。GIS體積龐大，成像過程中不能旋轉也不能移動，探測器不能覆蓋掃描整個物體，造成投影數據在探測器方向上的截斷，導致采集到的投影數據不完備，無法滿足精確重建的要求[9]。應用普通的重建方法來對不完備數據進行重建，常會得到無法重建或者重建質量非常差的結果[10-11]。筆者研制了針對GIS的X射線三維成像系統，包括機械、運動控制、數據采集、圖像重建、三維圖像顯示等子系統。設備的掃描方式為面陣探測器錐束旋轉掃描，設備整體精度達200 mm,實際輸出斷層圖的最高分辨率可達3 160像素X3 160像素。筆者研發的技術可以得到實際大小的三維圖像，可切片顯示，并區分開重疊的影像，可用于盆式絕緣子和回路電阻超標的檢測，提高GIS運行的可靠性。實際應用結果表明，電力設備的X射線三維成像檢測是可行的。

1 X射線三維成像系統的研制

1.1 功能精度

待檢測GIS三視圖及模型如圖1所示，系統的機械精度如表1所示。

表1 X射線三維成像系統的機械精度

圖1 待檢測GIS三視圖及模型

1.2 硬件選擇

GIS的X射線三維成像系統包括機械、運動控制、數據采集、圖像重建、三維圖像顯示等子系統。CT(電子計算機斷層掃描)軟件系統包括機械控制、探測器采集、DR(數字射線)透照成像、圖像重建與顯示等4個部分。采用PerkinElmer公司生產的XRD1621型成像板，分辨率為2 048像素×2 048像素，像素尺寸為200 mm，采用SPEKTROFLASH MRXD 300 kV型定向射線機及控制器，電流為1.0 mA5.0 mA，焦點尺寸(長×寬)為2.2 mm×2.6 mm。相對于扇束CT，錐束CT采用平板探測器一次掃描即可完成三維成像，檢測速度更快。

X射線三維成像機械裝置如圖2所示。選用HG-KN-73BJ-S100型伺服電機，額定轉矩為2.4 N·m,最大轉矩為7.2 N·m，轉動慣量(帶電磁制動)為1.39×10-4kg·m2，伺服放大器型號為MR-JE-70A(使用220 V單相交流電)?？刂破鞣旁诘孛嫔?，可進行遠程操作，通訊方式為485通訊。選用可編程控制器，編程簡單，控制精度高，可靠性強，能很好地與上位機進行通訊。

圖2 X射線三維成像機械裝置示意

1.3 傳統的FDK重建算法

CT成像的基本原理為根據Radon變換與反變換所表述的二維函數和射線積分之間的變換關系，得到物質的線性衰減系數。

(1)

式(1)稱為Radon變換，其反變換如下

(2)

FDK算法[13](由Feldkamp, Davis和Kress提出的一種基于圓軌道掃描的近似重建算法)屬于濾波反投影近似解析算法。文章采用射線源探測器偏置圓周掃描圖像重建算法。因為成像目標即3根鋁導體不在中心，射線源和探測器相對于旋轉中心偏置放置，所以在傳統的FDK重建算法的基礎上進行了改進。掃描布置如圖3所示。GIS外筒直徑為500 mm，距離地面2 450 mm，材料為鋁合金，壁厚為8 mm。

圖3 掃描布置示意

1.4 改進的FDK重建算法

射線源和探測器相對于旋轉中心偏置放置(見圖4)。

圖4 二維中心截面示意

建立固定的坐標系(xOy),假設射線源到旋轉中心的距離為LSO，射線源的坐標軌跡為

(LSOcosβ,LSOsinβ)

(3)

式中:β為x軸與SO的夾角。

投影數據表示為g(β,u)(假設探測器過O點，以探測器中心E為原點,u為投影數據坐標)，SE與SO的夾角記為β0。假設虛擬探測器所在坐標軸為t，直線OS記為s軸，射線源到探測器中心的距離記為LSE，則射線與虛擬探測器中心線的夾角α為

(4)

射線與t軸的交點坐標t1為

t1=LSOtanα

(5)

改進的FDK算法步驟如下所述。

(1) 以虛擬探測器為參考進行余弦校正。對于面陣探測器，以探測器的中心為原點建立直角坐標系，過E點且與轉軸平行的直線記為v軸，則校正公式為

g′(β,u,v)=

(6)

式中：g(β，u,v)為在β角度下采集到的原始數據;g′(β,u,v)為原始數據余弦校正后的結果。

(2) 對投影數據截斷的一端進行正弦延拓，假設延拓后數據的長度增加n，則延拓后的數據G(β,u,v)為

G(β,u,v)=

(7)

(3) 使用等間距濾波器進行濾波，濾波器函數h(u)和對延拓數據進行濾波后得到的數據p(β,u′,v)為

(8)

(9)

式中：u′為u的相關變量；Δu為采樣間隔時間;c為探測器中心的坐標。

(4) 僅使用探測器一側的數據進行反投影，得到數據p(β,u,v)為

(10)

假設重建點的坐標為(x,y,z)，其在旋轉坐標系下的坐標為(xr,yr,z),則重建數據f(x,y,z)為

(11)

(5) 重建結果可以根據設定的顯示窗位和窗寬，通過線性變換映射到[0,255]的灰度區間后,以灰度圖像的形式顯示。假設選擇窗位的值為L，窗寬為W，則對原來的重建結果f[重建數f(x,y,z)的值]進行如下線性映射

(12)

2 X射線三維成像系統的應用

將X射線三維成像系統應用于某供電站GIS的檢測，檢測現場如圖5所示。檢測步驟如下所述。

(1) 在空地上搭建檢測設備,通過對小鋼球的掃描來測試機械系統精度。測試結果為小鋼球的球心在圖像上離擬合軌跡偏差在1個像素以內，說明設備整體精度達到200 mm。

圖5 X射線三維成像系統應用現場

(2) 二維投影成像。典型旋轉式掃描二維投影成像如圖6所示。在某些角度，兩根導體影像可以清楚分辨；在某些角度，兩根導體影像重疊在一起，無法分辨是否有缺陷。

圖6 典型旋轉式掃描二維投影成像

(3) 設置掃描使用的參數，對檢測部位進行掃描,如果不能一次完成掃描，中間需要關閉X射線源，冷卻合適的時間后再打開射線源繼續掃描，多次掃描直至數據采集完畢。經檢測，旋轉式掃描設備成功采集360幅投影數據。掃描時采用的參數如表2所示。

表2 掃描參數設置

(4) 測量旋轉式掃描設備的幾何參數。對于旋轉掃描設備，射線源到探測器的距離為1 100.0 mm，旋轉軸到中心射線的距離為69.0 mm，通過計算得到視場區域的直徑為373.6 mm。

(5) 使用采集到的投影數據重建斷層圖像。采用基于圖形處理器(GPU)的快速重建技術，基本設計思想是充分利用GPU多處理器的結構特點和單指令多數據的指令執行方式，將錐束CT重建程序部分執行過程中的數據元素映射成多個并行處理的線程在GPU平臺上運行，X射線三維成像流程如圖7所示(DR為數字X射線攝影)。

圖7 X射線三維成像流程

GIS不同層、面的成像結果分別如圖8所示，旋轉掃描三維成像結果如圖9所示。實際輸出斷層圖的最高分辨率可達3 160像素X3 160像素。

圖8 GIS不同層、面的成像結果

圖9 GIS旋轉掃描三維成像結果

3 結語

研制了針對GIS的X射線三維成像系統，包括機械、運動控制、數據采集、圖像重建、三維圖像顯示等子系統。設備整體精度達到200 mm。與二維數字X射線成像相比，該成像系統可顯示切片成像，區分開重疊的影像。實踐應用表明，電力設備的X射線三維成像檢測是可行的。