层析成像技术在小型变压器检测中的应用

张轩，万书亭，郑欣，刘荣海

(1.华北电力大学机械工程系，河北 保定 071003；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；3.华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217)

层析成像技术在小型变压器检测中的应用

张轩1，3，万书亭1，郑欣2，刘荣海2

(1.华北电力大学机械工程系，河北 保定 071003；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；3.华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217)

层析成像技术可以准确的反映物体的内外部结构而无需破坏物体，层析成像获得的数据经过计算机处理后可直接生成三维数模，相比与以往的检测技术，能够直观了解变压器内部结构和材质。通过展开X射线CT扫描的这项技术验证其应用于小型变压器内部结构无损检测的可行性，寻找传统解剖手段的代替方法。

CT系统；变压器；无损检测；衰减系数

0 前言

随着城区配网的发展和农网的不断扩展，35 kV以下的小型变压器采购快速增加。在实际运行中，小型变压器故障、烧毁等事故越来越常见。对大多数烧毁事故原因的分析表明，以铝线代替铜线制作变压器线圈是导致事故的根本原因。小型变压器由于成本较低，制造工艺和用材往往控制不严格。由于装配结构、材质代用、制造工艺等问题导致的故障较多目前传统的宏观、称重及电气性能检测无法识别由于装配质量、材质代用等造成的设备安全性隐患。如何在小型变压器投用前开展有效的质检，需要寻找新的检测技术。工业CT技术是工业计算机断层扫描成像技术的简称[1]，其成像原理是由多个不同方向的投影数据，采用反投影算法重建物体的剖面图像。层析成像技术根据X射线从不同方向透照物体所得的影像，通过卷积反向投影算法，精确的还原被检测物体的内部结构和物质密度分布状态，其计算结果可通过3D模型的形式显示。通过多角度投影数据合成，层析成像技术不但具有远优于数字射线成像技术的分辨率，可发现检测对象内部极小的材料密度变化[2]，还能够分辨被检测物体的各种结构部件的三维空间位置，同时通过多角度计算透照能量，还可以反映物体内部不同结构的材质。

1 高能工业CT系统

射线源为9 MeV电子直线加速器的高能CT检测系统，是用9 MeV电子直线加速器产生的强脉冲轫致辐射而产生的X射线能够有效地穿透物质[3]，同时配备了大尺寸弧形线阵探测器和大尺寸平板探测器，兼容二代和三代等多种CT扫描模式。系统检测直径最大可达1 000 mm，检测高度最大可达1 500 mm，检测重量最重可达1吨。空间分辨率可达1.5 Lp/mm，密度分辨率可达1%。

如图1所示，射线源工作产生X射线流穿过工件，工件各部分因结构和密度不同对X射线的吸收不同，探测器接受经工件吸收后的X射线产生一幅DR投影图像，工件旋转到下一位置再产生一幅投影，当工件旋转360度后获得工件在各个角度下的投影，经工作站进行海量数据处理后重建出工件的CT断层图像。

图1 工作布局图

2 CT系统检测材料的确定

2.1 材料相对衰减系数的测算

工业检测对象材料密度高且变化范围大、结构复杂，很难准确定量测量被检工件的密度[4]。并且射线机发出的都是连续谱X射线，在穿过物体过程当中，低能射线将优先吸收，使穿过物体后的射线平均有效能量提高，即产生了所谓的 “射束硬化”现象[5]。连续谱X射线在物体的相同部位造成物体线衰减系数是一个不固定值，不同能量的X射线有着不同的线衰减系数。即使物体的不同部位组分和密度完全相同，但是线衰减系数也会随着X射线透照方向和路径的不同而不同。

为了简化模型，采用 “等效能量”的概念[5]。一个单能X射线CT系统和连续潜X射线CT系统与在材料中引起测量分布的CT值相同。于是单能的X射线的能量和连续谱X射线CT系统的能量等效。有了这个概念，连续光谱的X射线理论就可以应用单能X射线理论，得到的密度的CT测量值与实际值非常接近。

探测器的每一个像素点，对应该像素到射线源点这一条直线上透过的物体。当没有透照物时，测量得灰度值对应初始信号强度I0，当中间有物体时，测得经物体衰减后的信号强度I，并有以下关系式

进而得

根据计算的K值，查相对衰减系数表值，可以确定材料的范围。T2/T1之值为两种材料的透照厚度比。

2.2 透照厚度比计算 (T2/T1)

图2是绕组的透照厚度示意图，T1、T2为二级，一级线圈截面的中心点，可在DR图像上测量对应像素点的灰度值。T3点为铁芯截面中心点，可在DR图像中测量对应像素点的灰度值。根据结构条件，测量出二级线圈、一级线圈，铁芯透照厚度比值，可以近似计算出T2/T1值。有如下关系：

图2 绕组的透照厚度示意图

3 小型变压器CT检测试验

3.1 不同材料的DR对比实验

对于相同厚度的铝、铜、铁、铅，因它们的密度不同对射线的吸收也不同，反映在DR数字图像上的灰度值不同。

对于用铁壳包裹的铜绕组，可利用Fe+Cu方式联解出各自的衰减系数。

Fe+Cu的衰减路径为：

则

若各材料厚度能够得知，再得到一组TI、T2值不同的衰减数据，则联立公式，通过射线强度变化测算其各自衰减系数。

3.2 变压器CT检测结果

变压器有铜，铁，铝等金属材质组成，根据灰度值的深浅不同还可初步判定内部的结构是由不同材料的金属组成，但是无法确定具体金属的材料，并且内部结构也不是很清晰。

对变压器进行进一步 CT检测，通过 VG Studio MAX 2.2软件将剖面数据重建为样品的三维实体模型，并展示不同方向的剖面，从CT检测数据可以清晰地分辨变压器/互感器铁芯，绕组等结构。

4 实验结果与分析

实验后得到变压器各部分灰度值及推算的密度结果，如表1所示。

表1 变压器数据处理

变压器的内外线圈材料的相对衰减系数比值K=0.21，是以T2点材料为基准所得，若T2材料为铜，查铜的相对衰减系数表2：

表2 物质的相对衰减系数表

K=0.21与铝的0.22值相近，所以变压器外级线圈材料应是铝，内级线圈是铜。CT图像反应的为断层剖面，其灰度值就是该物质的直接影像灰度值。所以可以根据CT值的不同大致区分内部材质。具体检测时，可以通过已知铁的CT值来判断内部绕线是否为Cu和AL等信息。

已知B2件提杆材质为铁，可以看出其中灰度在58 000左右的为铁；在45 000左右的为铝；在10 000左右的为陶瓷。

5 结束语

基于9MeV高能工业CT可以对小型变压器电力设备部件进行无损的内部结构和材质检测。

1)如已知一种材料，如绕芯材料为Fe，或已知一级线圈为铜，同时测算得到透照材料的准确厚度或厚度比，则可以通过以该种材料为基础计算得到其他材料的衰减系数。

2)可以清楚的观察变压器内部件情况，准备的检测出缺陷所在位置。在本实验中，数据有一定的误差，可能是散射，工件结构等因素造成的，但不影响对已知材料范围的判别。利用基于CT断层的三维数字重构技术能够实现内部任意断面切割观察，生成的点云数据可以用于后期的建模、工艺优化和设计仿真。

[1] 王增勇，汤光平，李建文，等.工业CT技术进展及应用[J].无损检测，2010，07：504-508.

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[8] 杨京礼.基于层析成像技术的虚拟试验网络测量方法研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

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

张轩 (1989)，男，硕士，华北电力大学，从事状态监测与故障诊断、无损检测工作 (e-mail)13759414540＠163.com。

万书亭 (1970)，男，教授，博士生导师，从事系统监测与故障诊断工作。

郑欣 (1984)，男，工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，主要从事电网、电厂重要部件失效分析工作 (email)ssbn2000＠sina.com。