層析成像技術(shù)在小型變壓器檢測中的應用

張軒，萬書亭，鄭欣，劉榮海

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

層析成像技術(shù)在小型變壓器檢測中的應用

張軒1，3，萬書亭1，鄭欣2，劉榮海2

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

層析成像技術(shù)可以準確的反映物體的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)而無需破壞物體，層析成像獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理后可直接生成三維數(shù)模，相比與以往的檢測技術(shù)，能夠直觀了解變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。通過展開X射線CT掃描的這項技術(shù)驗證其應用于小型變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損檢測的可行性，尋找傳統(tǒng)解剖手段的代替方法。

CT系統(tǒng)；變壓器；無損檢測；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)的不斷擴展，35 kV以下的小型變壓器采購快速增加。在實際運行中，小型變壓器故障、燒毀等事故越來越常見。對大多數(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格。由于裝配結(jié)構(gòu)、材質(zhì)代用、制造工藝等問題導致的故障較多目前傳統(tǒng)的宏觀、稱重及電氣性能檢測無法識別由于裝配質(zhì)量、材質(zhì)代用等造成的設備安全性隱患。如何在小型變壓器投用前開展有效的質(zhì)檢，需要尋找新的檢測技術(shù)。工業(yè)CT技術(shù)是工業(yè)計算機斷層掃描成像技術(shù)的簡稱[1]，其成像原理是由多個不同方向的投影數(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，通過卷積反向投影算法，精確的還原被檢測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)密度分布狀態(tài)，其計算結(jié)果可通過3D模型的形式顯示。通過多角度投影數(shù)據(jù)合成，層析成像技術(shù)不但具有遠優(yōu)于數(shù)字射線成像技術(shù)的分辨率，可發(fā)現(xiàn)檢測對象內(nèi)部極小的材料密度變化[2]，還能夠分辨被檢測物體的各種結(jié)構(gòu)部件的三維空間位置，同時通過多角度計算透照能量，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檢測系統(tǒng)，是用9 MeV電子直線加速器產(chǎn)生的強脈沖軔致輻射而產(chǎn)生的X射線能夠有效地穿透物質(zhì)[3]，同時配備了大尺寸弧形線陣探測器和大尺寸平板探測器，兼容二代和三代等多種CT掃描模式。系統(tǒng)檢測直徑最大可達1 000 mm，檢測高度最大可達1 500 mm，檢測重量最重可達1噸?？臻g分辨率可達1.5 Lp/mm，密度分辨率可達1%。

如圖1所示，射線源工作產(chǎn)生X射線流穿過工件，工件各部分因結(jié)構(gòu)和密度不同對X射線的吸收不同，探測器接受經(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，當工件旋轉(zhuǎn)360度后獲得工件在各個角度下的投影，經(jīng)工作站進行海量數(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)檢測材料的確定

2.1 材料相對衰減系數(shù)的測算

工業(yè)檢測對象材料密度高且變化范圍大、結(jié)構(gòu)復雜，很難準確定量測量被檢工件的密度[4]。并且射線機發(fā)出的都是連續(xù)譜X射線，在穿過物體過程當中，低能射線將優(yōu)先吸收，使穿過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)也會隨著X射線透照方向和路徑的不同而不同。

為了簡化模型，采用 “等效能量”的概念[5]。一個單能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。有了這個概念，連續(xù)光譜的X射線理論就可以應用單能X射線理論，得到的密度的CT測量值與實際值非常接近。

探測器的每一個像素點，對應該像素到射線源點這一條直線上透過的物體。當沒有透照物時，測量得灰度值對應初始信號強度I0，當中間有物體時，測得經(jīng)物體衰減后的信號強度I，并有以下關系式

進而得

根據(jù)計算的K值，查相對衰減系數(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 透照厚度比計算 (T2/T1)

圖2是繞組的透照厚度示意圖，T1、T2為二級，一級線圈截面的中心點，可在DR圖像上測量對應像素點的灰度值。T3點為鐵芯截面中心點，可在DR圖像中測量對應像素點的灰度值。根據(jù)結(jié)構(gòu)條件，測量出二級線圈、一級線圈，鐵芯透照厚度比值，可以近似計算出T2/T1值。有如下關系：

圖2 繞組的透照厚度示意圖

3 小型變壓器CT檢測試驗

3.1 不同材料的DR對比實驗

對于相同厚度的鋁、銅、鐵、鉛，因它們的密度不同對射線的吸收也不同，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，通過射線強度變化測算其各自衰減系數(shù)。

3.2 變壓器CT檢測結(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。

對變壓器進行進一步 CT檢測，通過 VG Studio MAX 2.2軟件將剖面數(shù)據(jù)重建為樣品的三維實體模型，并展示不同方向的剖面，從CT檢測數(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 實驗結(jié)果與分析

實驗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)外線圈材料的相對衰減系數(shù)比值K=0.21，是以T2點材料為基準所得，若T2材料為銅，查銅的相對衰減系數(shù)表2：

表2 物質(zhì)的相對衰減系數(shù)表

K=0.21與鋁的0.22值相近，所以變壓器外級線圈材料應是鋁，內(nèi)級線圈是銅。CT圖像反應的為斷層剖面，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)。具體檢測時，可以通過已知鐵的CT值來判斷內(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

基于9MeV高能工業(yè)CT可以對小型變壓器電力設備部件進行無損的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)檢測。

1)如已知一種材料，如繞芯材料為Fe，或已知一級線圈為銅，同時測算得到透照材料的準確厚度或厚度比，則可以通過以該種材料為基礎計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，準備的檢測出缺陷所在位置。在本實驗中，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，生成的點云數(shù)據(jù)可以用于后期的建模、工藝優(yōu)化和設計仿真。

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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，從事狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷、無損檢測工作 (e-mail)13759414540＠163.com。

萬書亭 (1970)，男，教授，博士生導師，從事系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷工作。

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