電力設備檢測中脈沖射線成像技術(shù)的應用及其圖像殘留問題

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(1.云南電網(wǎng)有限責任公司 電力科學研究院，昆明 650217; 2.華北電力大學 云南電網(wǎng)有限責任公司 研究生工作站，昆明 650217)

電力設備檢測中脈沖射線成像技術(shù)的應用及其圖像殘留問題

劉榮海1，唐法慶2，郭新良1，吳章勤1

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司 電力科學研究院，昆明 650217; 2.華北電力大學 云南電網(wǎng)有限責任公司 研究生工作站，昆明 650217)

介紹了脈沖射線數(shù)字成像技術(shù)在電力設備檢測中的應用，并提出了該技術(shù)中圖像殘留問題的理論解釋及解決方法，以為脈沖射線數(shù)字成像技術(shù)在特殊環(huán)境電力設備透視檢測中的應用提供一些參考和借鑒。

脈沖射線；數(shù)字成像；圖像殘留

X射線數(shù)字成像技術(shù)可以實現(xiàn)在不拆卸設備和不破壞環(huán)境，甚至是不停電的情況下對電力設備進行檢測，從而達到可視化診斷。該系統(tǒng)需要成像裝置來收集X射線照射設備后的射線信息，作為X射線實時成像裝置的一種，數(shù)字平板直接成像裝置( Digital Radiography，DR)是近幾年才發(fā)展起來的新的數(shù)字化成像技術(shù)，其原理示意如圖1所示。

圖1 DR系統(tǒng)原理示意

目前，DR技術(shù)中的射線機多采用連續(xù)發(fā)射源。這種連續(xù)發(fā)射源的優(yōu)點是功率大、射線能量高、穿透能力強；缺點是體積大、笨重、不利于現(xiàn)場布置且輻射大。國內(nèi)對連續(xù)發(fā)射源DR技術(shù)的報道主要有：CAI等[1]研究了DR檢測技術(shù)在電力系統(tǒng)GIS(氣體絕緣開關(guān)設備)故障檢測中的應用；ZHANG等[2]綜合研究了超聲波和DR可視化檢測技術(shù)在電力GIS故障檢測中的應用；吳章勤等[3-4]研究了電力GIS的X射線數(shù)字成像檢測及基于X射線數(shù)字成像技術(shù)的GIS尺寸標定。國外對連續(xù)發(fā)射源DR射線的研究則主要集中在圖像處理和新材料研發(fā)方面，HYO等[5]研究了移動射線成像系統(tǒng)的特性。

對于脈沖射線源的研究，國內(nèi)主要集中在脈沖X射線劑量率測量不確定度的分析上，如叢培天等[6]針對“強光一號”短脈沖高能X射線的測量，定量地給出了各種因素引入的測量不確定度；呂敏等[7]研究了脈沖射線束測量中的統(tǒng)計起伏問題。國外對脈沖射線源的研究工作較少，且主要集中在實驗室的研究上。

從目前的研究情況來看，脈沖射線數(shù)字成像技術(shù)在電力設備透視檢測中的應用研究尚處于空白。對此，筆者介紹了脈沖射線在電力設備檢測中的應用及其圖像殘留問題，在理論上研究了圖像殘留問題及解決方法。

1 脈沖射線數(shù)字成像試驗

脈沖射線源是一種發(fā)射周期性短時脈沖射線的儀器，其體積小、輕便、輻射小、可充電，非常適用于特殊環(huán)境(如高空、狹小空間)下設備部件的現(xiàn)場檢測。圖2為XRS-3型脈沖射線源外觀，其包含了射線機、充電器和遠程控制線，總質(zhì)量約6 kg。

圖2 XRS-3型脈沖射線源外觀

XRS-3型脈沖射線源采用14.4 V得偉電池組供電，X射線源在25 ns內(nèi)產(chǎn)生高強度X射線能量(突發(fā)脈沖)，在X射線機前面30.50 cm處測得每個脈沖的輸出劑量約3 mR，脈沖數(shù)可根據(jù)需要在1～99個脈沖間調(diào)節(jié)，根據(jù)使用的成像系統(tǒng)不同可以穿透厚度1.25～2.54 cm的鋼?，F(xiàn)場操作時，脈沖X射線技術(shù)比傳統(tǒng)的恒電位X光機或放射源具有先天的優(yōu)勢，可應用在架空導線、GIS設備狹小空間等部位的拍攝。XRS-3的鉛屏蔽可使輻射泄漏最小化，操作者的安全距離為射線機后約3 m處以外，脈沖射線輻射劑量相對較小，防護工作相對容易。

試驗用的脈沖射線機為圖2所示的XRS-3系列，其主要技術(shù)參數(shù)包括固定管電壓270 kV、管電流0.25 mA、脈沖間隔50 ns、每組最大脈沖數(shù)99，可以穿透25.4 mm的鋼板。普通射線源可通過設定曝光量實現(xiàn)對不同厚度部件的透照，XRS-3型設備管電壓固定，只能通過選擇脈沖數(shù)改變曝光時間來實現(xiàn)不同的曝光量。表1為試驗過程中XRS-3型脈沖射線源對3種不同材料、不同透照厚度下的脈沖數(shù)。

表1 XRS-3型脈沖射線源對3種不同材料、

XRS-3型脈沖射線機采用直流電源。每組曝光結(jié)束，儀器應短暫休息再進行下一組曝光。每組曝光開始之前，約有5 s的延遲。因此，使用圖像采集軟件時，根據(jù)采集幀數(shù)，盡量調(diào)高每幀采集的時間。如曝光脈沖數(shù)為4組，每組脈沖數(shù)設置為99，脈沖數(shù)為4×99，采集幀數(shù)為4，可把每幀采集時間調(diào)整到15 s左右，保證脈沖射線源曝光時間內(nèi)，成像板處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。圖3為鋼板焊縫、鋁板、銅環(huán)的脈沖射線透照圖。

圖3 不同材料、厚度的脈沖射線透照圖

上述數(shù)據(jù)為利用脈沖射線數(shù)字成像技術(shù)透照不同材料、不同透照厚度的電力設備提供了參考。如檢測GIS時，其外殼為鋁，導電桿為銅，得知透照厚度后，只要合理選取脈沖數(shù)，就能得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的透照圖。

2 脈沖射線技術(shù)相關(guān)問題及解決方法

2.1厚部件的脈沖射線透照技術(shù)

厚部件指厚度超過脈沖射線機最大穿透厚度60%的部件，如三相合體電纜。脈沖X射線透照能力有限，厚部件照射時X射線衰減嚴重，所獲取的X射線清晰度較差、分辨率低；而單組最大脈沖數(shù)有限，脈沖射線源單位時間內(nèi)能量密度高，需定時冷卻。

針對以上問題，采用多幀曝光與圖像合成技術(shù)，延長采集時間，既能在采集過程中保證曝光量，又能讓脈沖射線機及時冷卻。圖4(a)為單幀單組脈沖圖像，在拍攝時，圖像由單組脈沖單幀采集獲得，不需圖像合成。圖4(b)為多幀多組脈沖圖像，圖像由4組脈沖射線、4幀采集獲得，也就是由4張單組單幀脈沖圖像合成獲得。

圖4 單幀單組脈沖圖像和多幀多組脈沖圖像

通過以上方法獲得的X射線圖像可保證在照射厚部件時圖像的清晰度，但為了保證脈沖X射線機的冷卻時間，應增加每組射線間的拍攝時間間隔，防止因X射線機過熱而出現(xiàn)故障。

2.2高質(zhì)量圖像獲取技術(shù)

上一組試驗的圖像殘留在下一組試驗圖像中的現(xiàn)象稱為圖像殘留。圖5為連續(xù)曝光消除圖像殘留的過程示意。首先，對7 mm厚的銅環(huán)進行脈沖數(shù)為2×99的曝光；接著對12 mm厚的鋼板焊縫進行脈沖數(shù)為4×99的曝光，透照圖像上出現(xiàn)了上一組試驗銅環(huán)的殘影；再對鋼板焊縫進行脈沖數(shù)為4×99的曝光，透照圖像上的銅環(huán)殘影漸漸變淡；再對鋼板焊縫進行脈沖數(shù)為4×99的曝光，透照圖像上的銅環(huán)殘影消失。

圖5 連續(xù)曝光消除圖像殘留的過程示意

圖6 靜置成像板消除圖像殘留的過程示意

圖像殘留還與成像板靜置的時間有關(guān)。圖6為靜置成像板消除圖像殘留的過程示意。先對5 mm厚鋁板進行曝光，得到透照圖；再靜置成像板5 min后，空采數(shù)據(jù)(無射線曝光)得到上組試驗中鋁板的殘留圖像；最后靜置成像板30 min后，空采數(shù)據(jù)得到圖像，鋁板的殘留圖像消失。

靜置成像板消除圖像殘留的試驗表明，圖像殘留的強度隨時間不斷衰減，直至消失。

綜合上述試驗，設圖像殘留的強度為一個物理量I，則I隨時間t呈指數(shù)衰減，且與后續(xù)射線曝光量有關(guān)，這種關(guān)系由式(1)來表示。

式中：α為衰減系數(shù)，與后續(xù)曝光的射線能量有關(guān)，后續(xù)曝光射線能量越大，α值越大，圖像殘留的強度越小;t為時間。

連續(xù)曝光消除圖像殘留的試驗表明，圖像殘留現(xiàn)象多發(fā)生在脈沖射線數(shù)字成像系統(tǒng)中，可以通過繼續(xù)曝光和長時間靜置來擦除。連續(xù)X射線源的成像系統(tǒng)較少出現(xiàn)殘影，也表明后續(xù)曝光的X射線對前面的殘影有擦除作用。

由上所述，給出兩個建議：第一，利用脈沖射線X射線數(shù)字成像系統(tǒng)檢測電力設備，應考慮兩次曝光之間的時間間隔，避免圖像殘留；第二，出現(xiàn)圖像殘留可采用靜置成像板來消除。

3 結(jié)語

脈沖X射線數(shù)字成像系統(tǒng)適用于特殊環(huán)境現(xiàn)場的電力設備透視檢測，由于電力生產(chǎn)現(xiàn)場設備種類較多且體積龐大，對于設備中厚部件照射強度不夠的問題，可采用多組脈沖和多幀采集的方法，以增加X射線脈沖的發(fā)射次數(shù)，同時增加數(shù)字成像板采集幀數(shù)以保證部件影像的清晰度；X射線機在增加脈沖數(shù)量的同時，脈沖射線機的工作負荷也就相應增加，為減小射線機在高負荷工作時的損傷，要增加每組射線照射的時間間隔，以起到保護射線機的作用；由于脈沖射線為非連續(xù)射線，對于脈沖射線數(shù)字成像技術(shù)檢測過程中出現(xiàn)的圖像殘留問題，可以通過靜置成像板來消除，數(shù)字成像板拍攝后靜置30 min后圖像殘影會自動消除。

[1] CAI Xiaolan, WANG Dada,YU Hong，et al.The application of X-ray digital real-time imaging technology in GIS defect diagnosis[J].Procedia Engineering, 2011，23(5)：137-143.

[2] ZHANG Wei, YU Hong，ZHAO Xianping，et al. The comprehensive study based on ultrasonic and X-ray visual technology for GIS equipment detection[J].World Academy of Science Engineering and Technology,2011,58:683-688.

[3] 吳章勤，劉榮海，艾川，等.基于X射線數(shù)字成像技術(shù)的GIS尺寸標定[J].無損檢測，2013,35(2)：46-48.

[4] 吳章勤，魏杰，況華，等.GIS的X射線數(shù)字成像檢測[J].無損檢測，2013,35(1)：11-12.

[5] HYO M C,SO Y L,SORA N,et al. Imaging characteristics of mobile digital radiographic system[C]∥International Conference on Control, Automation and Systems.[S.l.]:[s.n],2007.

[6] 叢培天，陳偉， 韓娟娟,等.脈沖X射線劑量率測量不確定度分析[J].強激光與粒子束，2010,22(11):2273-2277.

[7] 呂敏.脈沖射線束探測技術(shù)[J].核電子學與探測技術(shù)，1984,4(6)：321-328.

ApplicationofPulseRayRadiographyinPowerEquipmentandImageResidualProblems

LIU Ronghai1,TANG Faqing2, GUO Xinliang1, WU Zhangqin1

(1.Electric Power Research Institute, Yunnan Electric Power Grid Corporation, Kunming 650217, China； 2.Graduate Workstation，Yunnan Electric Power Grid Corporation，North China Electric Power University, Kunming 650217, China)

The paper presented the application experiments of pulse-ray-based radiography and the picture retention phenomena, and then studied the phenomenon theoretically and gave the solution to eliminate picture retention. These studies will provide some references to the application of pulse-ray-based radiography in testing special power equipments.

pulse ray; digital radiography; picture retention

2017-03-16

劉榮海(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事X射線無損檢測方面的工作

唐法慶，1322960631@qq.com

10.11973/wsjc201711013

TM931；TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0058-04