X射線無損探傷技術(shù)在變電站運(yùn)行狀態(tài)GIS檢測(cè)中的應(yīng)用

譚興華 楊 東 陳瑞斌

(河南四達(dá)檢測(cè)技術(shù)有限公司， 許昌 461000)

近年來電力線路的金線、GIS導(dǎo)線斷裂事故頻發(fā)，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。正確分析變電站 GIS故障原因，及時(shí)進(jìn)行 GIS日常維護(hù)工作，是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要工作之一[1]。而無損探傷檢測(cè)，是指在不破壞、或者說不影響待檢測(cè)對(duì)象組件使用性能的前提下，利用一種光、聲或者電等特性，借助現(xiàn)代技術(shù)和設(shè)備，以物理方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的方法總稱[2]。而X射線檢測(cè)技術(shù)，具有全面性、細(xì)致性等特征，因此研究X射線無損探傷技術(shù)，在變電站運(yùn)行狀態(tài)GIS檢測(cè)中的應(yīng)用，通過使用X射線無損探傷技術(shù)，對(duì)因地理位置復(fù)雜、探測(cè)困難的變電站用電設(shè)備和輸電線路進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步維護(hù)電網(wǎng)和電力系統(tǒng)使用的安全性。

1 X射線無損探傷技術(shù)在變電站運(yùn)行狀態(tài)GIS檢測(cè)中的應(yīng)用

1.1 設(shè)計(jì)X射線防護(hù)裝置

為了阻止高頻電場(chǎng)磁場(chǎng)脈沖干擾X射線無損探傷技術(shù)的工作，并且X射線損害工作人員身體健康狀態(tài)，應(yīng)用X射線無損探傷技術(shù)之前，首先設(shè)計(jì)一個(gè)防護(hù)裝置，用來屏蔽電場(chǎng)磁場(chǎng)脈沖和射線。設(shè)計(jì)防護(hù)裝置之前，首先要計(jì)算X射線源的射線強(qiáng)度，公式為：

P0=kIHV2

(1)

公式中：P0表示X射線初始強(qiáng)度；k表示比例系數(shù)；I表示管電流值；H表示檢測(cè)對(duì)象的原子序數(shù)；V表示管電壓。根據(jù)裝置參數(shù)，取比例系數(shù)、電流、電壓的最大值，分別為1.4×10-6、1.25mA和160kV，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的序數(shù)，計(jì)算X射線的初始強(qiáng)度為：

P0=1.4×10-6×1.25×1602×74=3.3152 C/kg

(2)

(3)

因此選擇上述材料，作為防護(hù)裝置的基本制作材料，制作3類不同的防護(hù)裝置，表1為實(shí)際應(yīng)用測(cè)試下，3種防護(hù)裝置的屏蔽能力比較結(jié)果[3]。

分析表1中的比較數(shù)據(jù)，選擇全封閉金屬罩，該封閉金屬罩不是真正意義上的全面屏蔽，而是僅留有1個(gè)可探入X射線的孔口，在不使用時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全面屏蔽。作為此次研究中的屏蔽裝置，一方面用來屏蔽干擾信號(hào)，另一方面可以保護(hù)工人使用安全[4]。圖1為設(shè)計(jì)的全封閉金屬罩基本結(jié)構(gòu)。

表1 3種防護(hù)裝置的屏蔽性能比較

圖1 金屬屏蔽裝置主視圖

要求將該裝置能完全包圍X射線機(jī)和成像板，且能和安裝機(jī)構(gòu)完整契合，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)工作的保護(hù)。

1.2 設(shè)置坐標(biāo)系構(gòu)建X射線相機(jī)模型

將上述裝置與其他檢測(cè)設(shè)備之間建立連接關(guān)系，然后設(shè)置不同的坐標(biāo)系，構(gòu)建X射線相機(jī)模型。X射線檢測(cè)后會(huì)生成X光照片，然后該照片進(jìn)入計(jì)算機(jī)后轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，而該圖像的坐標(biāo)系原點(diǎn)在左上角，橫軸正方向向右，縱軸方向向下，并以M×N的數(shù)組形式存儲(chǔ)，其中M表示圖像寬度，N表示圖像高度。因此利用像素在M×N中的行和列，表示像素在圖像坐標(biāo)系內(nèi)的基本坐標(biāo)，但此時(shí)的像素點(diǎn)的位置，只是用像素個(gè)數(shù)表達(dá)，因此需要建立全新的圖像坐標(biāo)。假設(shè)圖像的中心坐標(biāo)原點(diǎn)為O1，x軸和y軸與原始坐標(biāo)橫軸、縱軸同向，單位為毫米，則坐標(biāo)系O1xy的中心坐標(biāo)為(x0,y0)，圖像中任意一個(gè)像素點(diǎn)，在該坐標(biāo)系中的物理尺寸為：

(4)

公式中：a、b為原始圖像坐標(biāo)的長(zhǎng)和寬。根據(jù)上述計(jì)算，確定原始坐標(biāo)中的節(jié)點(diǎn)，在新坐標(biāo)系中的位置[5]。而在變電站運(yùn)行狀態(tài)GIS檢測(cè)的實(shí)際工作中，使用相機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)，拍攝位置是動(dòng)態(tài)變化的，因此需要設(shè)置一個(gè)世界坐標(biāo)系，確定攝像機(jī)和GIS在實(shí)際空間中的位置，該坐標(biāo)系與設(shè)置的圖像坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 圖像坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系基本關(guān)系圖

根據(jù)上述設(shè)置結(jié)果，構(gòu)建X光攝像機(jī)模型。假設(shè)圖2中存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)U，U在圖像上的投影點(diǎn)為點(diǎn)u，該點(diǎn)同時(shí)也是點(diǎn)U與相機(jī)光心O2的連線，也是圖像平面之間的交點(diǎn)，因此默認(rèn)節(jié)點(diǎn)U在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(Xc,Yc,Zc)，投影點(diǎn)u在圖像坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為(x,y)，因此有：

(5)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建X射線相機(jī)模型，利用該模型確定每一個(gè)檢測(cè)環(huán)節(jié)中，具體檢測(cè)位置[6]。

1.3 檢測(cè)變電站運(yùn)行狀態(tài)

選擇合適的管電壓、管電流，用來檢測(cè)變電站運(yùn)行狀態(tài)。其中在X射線無損探傷檢測(cè)工作中，管電壓會(huì)直接決定X射線的透照能力。而射線檢測(cè)的靈敏度，是工件對(duì)比度和成像板靈敏度來決定的。其中工件對(duì)比度，為X射線通過工件的不同區(qū)域后，得到的線強(qiáng)度比率；而成像板靈敏度是檢測(cè)系統(tǒng)決定的，很難被改變。因此可知管電壓與材料的吸收系數(shù)和缺陷深度之間，存在如下關(guān)系：

(6)

公式中：P1、P2分別表示X射線經(jīng)過無缺陷、有缺陷部位后的射線強(qiáng)度；λ表示吸收系數(shù)；Δd表示缺陷深度[7]。其中缺陷深度是被檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際定值，而材料吸收系數(shù)的具體取值，可以通過下列公式獲得：

λ=εφ3H3

(7)

公式中：ε表示系數(shù)定值；φ表示入射射線波長(zhǎng)。已知射線波長(zhǎng)與電壓成反比關(guān)系，因此采用較小的管電壓，提高工件對(duì)比度，提高圖像的質(zhì)量。總結(jié)出選用管電壓的條件：在條件允許時(shí)，盡可能選用較低的管電壓，從而提高檢測(cè)對(duì)象的對(duì)比度，提高射線檢測(cè)的靈敏度，改善圖像質(zhì)量。而管電流是X射線機(jī)，陰極加熱絲的電流，當(dāng)電流越大時(shí)，射線機(jī)產(chǎn)生的電子就會(huì)越多，打到陽極靶的電子量也隨之增多，由此產(chǎn)生的射線數(shù)量就越多。而直接數(shù)字化X射線的攝影系統(tǒng)DR，通常情況下其透照時(shí)間為2s，并疊加4次采集圖像，同時(shí)焦距也為設(shè)定值，通過調(diào)節(jié)管電流，改變曝光度。當(dāng)DR檢測(cè)系統(tǒng)功率在900W時(shí)，設(shè)置的最大透照電壓為300kV，因此設(shè)置管電流為3mA，便于在調(diào)整管電壓時(shí)，不用再更改管電流值[8]。通過同時(shí)考慮管電壓與管電流的用途與關(guān)系，選擇適合變電站GIS檢測(cè)的管電壓與管電流，完成變電站運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)任務(wù)。

1.4 處理GIS檢測(cè)圖像

得到檢測(cè)X光圖像后，通過幾何變換、灰度變換、圖像平滑和閾值分割手段，處理GIS檢測(cè)圖像。首選在幾何變換過程中，對(duì)原始X光圖像進(jìn)行大小、形狀和位置變換，同時(shí)縮放原始圖像，并將整個(gè)成像區(qū)域用以像素為單位的網(wǎng)格覆蓋，將圖像進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，得到對(duì)應(yīng)的X射線圖像。再進(jìn)行灰度變換處理，該處理工程的計(jì)算表達(dá)式為：

h(x,y)=F[f(x,y)]

(8)

公式中：h(x,y)表示經(jīng)過變換后，某一點(diǎn)的灰度值；f(x,y)表示原始X光圖像中，某一點(diǎn)的灰度值；F表示一種操作手段，即點(diǎn)操作和模板操作手段。利用灰度變換改變?cè)紙D像的灰度范圍，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，改善檢測(cè)圖像的視覺觀察效果[9]。第三步進(jìn)行圖像平滑處理。通過該技術(shù)消除圖像采集、傳輸及后續(xù)處理工作中出現(xiàn)的噪聲。此次研究利用模板思想平滑處理像素點(diǎn)。通過計(jì)算一個(gè)像素點(diǎn)，與周圍其他像素點(diǎn)的平均灰度，找到其中突然變化的點(diǎn)并剔除，在一定程度上降低噪聲，但圖像會(huì)產(chǎn)生一定程度的模糊，因此執(zhí)行模板運(yùn)算時(shí)，不允許模板移出邊界；還要求通過分解的方法進(jìn)行平滑運(yùn)算，達(dá)到提高運(yùn)算速度這一要求。圖3為平滑處理前后的背景圖像。

圖3 平滑處理前后的圖像

最后進(jìn)行圖像分割，將重點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域中的部件圖像信息，從原始圖像中分割出來，達(dá)到便于觀察和處理的操作目的。而該操作下，兩次灰度過濾的起始和終止灰度值，都是可改變的，并且可以設(shè)置成不同的區(qū)域顏色，通過調(diào)整閾值范圍，在圖像上將GIS軟件從檢測(cè)背景中分離出來，便于比較觀察，至此實(shí)現(xiàn)X射線無損探傷技術(shù)，在變電站運(yùn)行狀態(tài)GIS檢測(cè)中的應(yīng)用[10]。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證此次提出的應(yīng)用手段，是否安全可靠，進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，對(duì)比不同測(cè)試電壓下，X射線無損探傷技術(shù)的應(yīng)用效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇實(shí)驗(yàn)所需的各項(xiàng)檢測(cè)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象，圖4為實(shí)驗(yàn)選擇的主要設(shè)備。

圖4 X射線檢測(cè)設(shè)備

圖4中，X射線機(jī)為XXG-2005RH型號(hào)的便攜式中頻X射線探傷機(jī)，X射線管電壓峰值為100～200kVP，X射線管電流平均值為5mA，X射線輻射角為40±5°，安全工作壓力為0.36Mpa～0.45Mpa。平板探測(cè)器采用的是VAREX平板影像探測(cè)器，型號(hào)為1308DX，像素面積13×8cm2，極限分辨率為3.94lp/mm，能量范圍為40～160kV。

X射線無損探傷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在不拆卸變電設(shè)備和不破壞周邊環(huán)境的情況下實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行狀態(tài)GIS檢測(cè)，其主要是由平板探測(cè)器中的成像裝置收集X射線機(jī)照射變電設(shè)備后的射線信息，實(shí)現(xiàn)可視化診斷。按照?qǐng)D4所示的X射線檢測(cè)設(shè)備，利用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)線，連接移動(dòng)工作站和平板探測(cè)器；利用控制電纜連接控制箱和X射線機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境。通過對(duì)控制箱設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使X射線機(jī)產(chǎn)生X射線對(duì)被檢測(cè)部位進(jìn)行透射，最后傳輸至移動(dòng)工作站形成數(shù)字影像(圖5)。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

已知X射線圖像質(zhì)量，與電流、電壓和焦距相關(guān)，因此將GIS相關(guān)硬件，擺放到平板探測(cè)器的中間位置，或者讓平板探測(cè)器的中間位置，完全覆蓋GIS相關(guān)硬件的待檢測(cè)位置，如圖6所示。

圖6 檢測(cè)位置示意圖

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置兩個(gè)測(cè)試組，第一組測(cè)試中，不在X射線機(jī)和平板探測(cè)器附近，添加此次設(shè)計(jì)的金屬罩；第二組測(cè)試組，在X射線機(jī)和平板探測(cè)器周圍，安裝全封閉金屬罩，比較兩個(gè)測(cè)試組之間的檢測(cè)差異性。為了保證參與工作人員的人身安全，當(dāng)X射線開始檢測(cè)任務(wù)時(shí)，讓實(shí)驗(yàn)人員站在輻射區(qū)以外。上述工作準(zhǔn)備完畢后，開始實(shí)驗(yàn)。

2.2 未安裝全封閉金屬罩的X射線檢測(cè)

在X射線機(jī)無屏蔽情況下，設(shè)置3組不同的電壓，利用X射線檢測(cè)變電站運(yùn)行狀態(tài)下，GIS接續(xù)管處的工作狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 未安裝全封閉金屬罩的X射線拍攝結(jié)果

根據(jù)圖7可知，當(dāng)外加電壓超過150kV后，X射線機(jī)無法反饋檢測(cè)結(jié)果，這是由于輸電線路局部放電故障，導(dǎo)致檢測(cè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了不同頻率的高頻電場(chǎng)磁場(chǎng)脈沖，該電磁脈沖破壞檢測(cè)設(shè)備中的電子元件，直接干擾X射線的正常工作，從而影響檢測(cè)結(jié)果。

2.3 安裝全封閉金屬罩的X射線檢測(cè)

安裝全封閉金屬罩，保證其他測(cè)試條件不變，被屏蔽后的X射線機(jī)，對(duì)接續(xù)管的檢測(cè)結(jié)果，如圖8所示。

圖8 安裝全封閉金屬罩的X射線拍攝結(jié)果

根據(jù)圖8所示的四組拍攝結(jié)果可以看出，利用全封閉金屬罩隔離X射線機(jī)后，X射線機(jī)可以在變電站高電壓工作狀態(tài)下正常工作，X射線機(jī)不受超強(qiáng)電磁環(huán)境的影響，拍攝的效果同樣清晰。由此可見，此次研究設(shè)計(jì)的全封閉金屬罩，能夠幫助X射線無損探傷技術(shù)，完成對(duì)變電站運(yùn)行狀態(tài)的GIS檢測(cè)。

3 結(jié)束語

根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)，此次提出的X射線無損探傷技術(shù)的應(yīng)用方法，取得了理想的研究成果，但此次研究存在一定程度的不足之處。第一，在處理X射線拍攝圖像上，還要進(jìn)一步加強(qiáng)；同時(shí)還可以引入無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用思路，進(jìn)一步優(yōu)化X射線相機(jī)模型，為電路行業(yè)的發(fā)展，提供更先進(jìn)的技術(shù)支持。