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)
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)。
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
2.1 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
3.1 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)。
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。
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。