氣體絕緣開(kāi)關(guān)X射線三維成像檢測(cè)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

張麗萍，石 泉，盧啟付，鐘 飛

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

全封閉結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)設(shè)備如GIS(氣體絕緣開(kāi)關(guān))、斷路器等作為變電站廣泛使用的設(shè)備，其安全和可靠性至關(guān)重要。操作開(kāi)關(guān)時(shí)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(dòng)、觸頭燒損、螺絲松動(dòng)、結(jié)合不到位、結(jié)構(gòu)變形、絕緣老化等現(xiàn)象都對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行有著嚴(yán)重的影響。2012年廣東電網(wǎng)公司發(fā)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(wǎng)10 kV及以上高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備共發(fā)生重大事故923次。

X射線三維成像檢測(cè)是一種數(shù)字化、智能識(shí)別采集圖像、檢測(cè)精度高、能直觀顯示切片并區(qū)分開(kāi)重疊部件的先進(jìn)技術(shù)，適合電網(wǎng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。其對(duì)于提高全封閉電網(wǎng)設(shè)備技術(shù)的監(jiān)督能力，維護(hù)電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著特別重要的意義。

目前，二維數(shù)字X射線檢測(cè)技術(shù)廣泛用于GIS檢測(cè)[1-2]，但是其難以區(qū)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(biāo)時(shí)，難以判斷接觸是否緊密。GIS體積龐大，成像過(guò)程中不能旋轉(zhuǎn)也不能移動(dòng)，探測(cè)器不能覆蓋掃描整個(gè)物體，造成投影數(shù)據(jù)在探測(cè)器方向上的截?cái)?，?dǎo)致采集到的投影數(shù)據(jù)不完備，無(wú)法滿足精確重建的要求[9]。應(yīng)用普通的重建方法來(lái)對(duì)不完備數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，常會(huì)得到無(wú)法重建或者重建質(zhì)量非常差的結(jié)果[10-11]。筆者研制了針對(duì)GIS的X射線三維成像系統(tǒng)，包括機(jī)械、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像重建、三維圖像顯示等子系統(tǒng)。設(shè)備的掃描方式為面陣探測(cè)器錐束旋轉(zhuǎn)掃描，設(shè)備整體精度達(dá)200 mm,實(shí)際輸出斷層圖的最高分辨率可達(dá)3 160像素X3 160像素。筆者研發(fā)的技術(shù)可以得到實(shí)際大小的三維圖像，可切片顯示，并區(qū)分開(kāi)重疊的影像，可用于盆式絕緣子和回路電阻超標(biāo)的檢測(cè)，提高GIS運(yùn)行的可靠性。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，電力設(shè)備的X射線三維成像檢測(cè)是可行的。

1 X射線三維成像系統(tǒng)的研制

1.1 功能精度

待檢測(cè)GIS三視圖及模型如圖1所示，系統(tǒng)的機(jī)械精度如表1所示。

表1 X射線三維成像系統(tǒng)的機(jī)械精度

圖1 待檢測(cè)GIS三視圖及模型

1.2 硬件選擇

GIS的X射線三維成像系統(tǒng)包括機(jī)械、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像重建、三維圖像顯示等子系統(tǒng)。CT(電子計(jì)算機(jī)斷層掃描)軟件系統(tǒng)包括機(jī)械控制、探測(cè)器采集、DR(數(shù)字射線)透照成像、圖像重建與顯示等4個(gè)部分。采用PerkinElmer公司生產(chǎn)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(jī)及控制器，電流為1.0 mA5.0 mA，焦點(diǎn)尺寸(長(zhǎng)×寬)為2.2 mm×2.6 mm。相對(duì)于扇束CT，錐束CT采用平板探測(cè)器一次掃描即可完成三維成像，檢測(cè)速度更快。

X射線三維成像機(jī)械裝置如圖2所示。選用HG-KN-73BJ-S100型伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為2.4 N·m,最大轉(zhuǎn)矩為7.2 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(帶電磁制動(dòng))為1.39×10-4kg·m2，伺服放大器型號(hào)為MR-JE-70A(使用220 V單相交流電)?？刂破鞣旁诘孛嫔希蛇M(jìn)行遠(yuǎn)程操作，通訊方式為485通訊。選用可編程控制器，編程簡(jiǎn)單，控制精度高，可靠性強(qiáng)，能很好地與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

圖2 X射線三維成像機(jī)械裝置示意

1.3 傳統(tǒng)的FDK重建算法

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

(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(cè)器偏置圓周掃描圖像重建算法。因?yàn)槌上衲繕?biāo)即3根鋁導(dǎo)體不在中心，射線源和探測(cè)器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心偏置放置，所以在傳統(tǒng)的FDK重建算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。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(jìn)的FDK重建算法

射線源和探測(cè)器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心偏置放置(見(jiàn)圖4)。

圖4 二維中心截面示意

建立固定的坐標(biāo)系(xOy),假設(shè)射線源到旋轉(zhuǎn)中心的距離為L(zhǎng)SO，射線源的坐標(biāo)軌跡為

(LSOcosβ,LSOsinβ)

(3)

式中:β為x軸與SO的夾角。

投影數(shù)據(jù)表示為g(β,u)(假設(shè)探測(cè)器過(guò)O點(diǎn)，以探測(cè)器中心E為原點(diǎn),u為投影數(shù)據(jù)坐標(biāo))，SE與SO的夾角記為β0。假設(shè)虛擬探測(cè)器所在坐標(biāo)軸為t，直線OS記為s軸，射線源到探測(cè)器中心的距離記為L(zhǎng)SE，則射線與虛擬探測(cè)器中心線的夾角α為

(4)

射線與t軸的交點(diǎn)坐標(biāo)t1為

t1=LSOtanα

(5)

改進(jìn)的FDK算法步驟如下所述。

(1) 以虛擬探測(cè)器為參考進(jìn)行余弦校正。對(duì)于面陣探測(cè)器，以探測(cè)器的中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，過(guò)E點(diǎn)且與轉(zhuǎn)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(shù)據(jù);g′(β,u,v)為原始數(shù)據(jù)余弦校正后的結(jié)果。

(2) 對(duì)投影數(shù)據(jù)截?cái)嗟囊欢诉M(jìn)行正弦延拓，假設(shè)延拓后數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度增加n，則延拓后的數(shù)據(jù)G(β,u,v)為

G(β,u,v)=

(7)

(3) 使用等間距濾波器進(jìn)行濾波，濾波器函數(shù)h(u)和對(duì)延拓?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波后得到的數(shù)據(jù)p(β,u′,v)為

(8)

(9)

式中：u′為u的相關(guān)變量；Δu為采樣間隔時(shí)間;c為探測(cè)器中心的坐標(biāo)。

(4) 僅使用探測(cè)器一側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行反投影，得到數(shù)據(jù)p(β,u,v)為

(10)

假設(shè)重建點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y,z)，其在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xr,yr,z),則重建數(shù)據(jù)f(x,y,z)為

(11)

(5) 重建結(jié)果可以根據(jù)設(shè)定的顯示窗位和窗寬，通過(guò)線性變換映射到[0,255]的灰度區(qū)間后,以灰度圖像的形式顯示。假設(shè)選擇窗位的值為L(zhǎng)，窗寬為W，則對(duì)原來(lái)的重建結(jié)果f[重建數(shù)f(x,y,z)的值]進(jìn)行如下線性映射

(12)

2 X射線三維成像系統(tǒng)的應(yīng)用

將X射線三維成像系統(tǒng)應(yīng)用于某供電站GIS的檢測(cè)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。檢測(cè)步驟如下所述。

(1) 在空地上搭建檢測(cè)設(shè)備,通過(guò)對(duì)小鋼球的掃描來(lái)測(cè)試機(jī)械系統(tǒng)精度。測(cè)試結(jié)果為小鋼球的球心在圖像上離擬合軌跡偏差在1個(gè)像素以內(nèi)，說(shuō)明設(shè)備整體精度達(dá)到200 mm。

圖5 X射線三維成像系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

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

圖6 典型旋轉(zhuǎn)式掃描二維投影成像

(3) 設(shè)置掃描使用的參數(shù)，對(duì)檢測(cè)部位進(jìn)行掃描,如果不能一次完成掃描，中間需要關(guān)閉X射線源，冷卻合適的時(shí)間后再打開(kāi)射線源繼續(xù)掃描，多次掃描直至數(shù)據(jù)采集完畢。經(jīng)檢測(cè)，旋轉(zhuǎn)式掃描設(shè)備成功采集360幅投影數(shù)據(jù)。掃描時(shí)采用的參數(shù)如表2所示。

表2 掃描參數(shù)設(shè)置

(4) 測(cè)量旋轉(zhuǎn)式掃描設(shè)備的幾何參數(shù)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)掃描設(shè)備，射線源到探測(cè)器的距離為1 100.0 mm，旋轉(zhuǎn)軸到中心射線的距離為69.0 mm，通過(guò)計(jì)算得到視場(chǎng)區(qū)域的直徑為373.6 mm。

(5) 使用采集到的投影數(shù)據(jù)重建斷層圖像。采用基于圖形處理器(GPU)的快速重建技術(shù)，基本設(shè)計(jì)思想是充分利用GPU多處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和單指令多數(shù)據(jù)的指令執(zhí)行方式，將錐束CT重建程序部分執(zhí)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)元素映射成多個(gè)并行處理的線程在GPU平臺(tái)上運(yùn)行，X射線三維成像流程如圖7所示(DR為數(shù)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(jié)果分別如圖8所示，旋轉(zhuǎn)掃描三維成像結(jié)果如圖9所示。實(shí)際輸出斷層圖的最高分辨率可達(dá)3 160像素X3 160像素。

圖8 GIS不同層、面的成像結(jié)果

圖9 GIS旋轉(zhuǎn)掃描三維成像結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

研制了針對(duì)GIS的X射線三維成像系統(tǒng)，包括機(jī)械、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、圖像重建、三維圖像顯示等子系統(tǒng)。設(shè)備整體精度達(dá)到200 mm。與二維數(shù)字X射線成像相比，該成像系統(tǒng)可顯示切片成像，區(qū)分開(kāi)重疊的影像。實(shí)踐應(yīng)用表明，電力設(shè)備的X射線三維成像檢測(cè)是可行的。