X射线无损探伤技术在变电站运行状态GIS检测中的应用

谭兴华 杨 东 陈瑞斌

(河南四达检测技术有限公司， 许昌 461000)

近年来电力线路的金线、GIS导线断裂事故频发，对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。正确分析变电站 GIS故障原因，及时进行 GIS日常维护工作，是保证电网安全稳定运行的重要工作之一[1]。而无损探伤检测，是指在不破坏、或者说不影响待检测对象组件使用性能的前提下，利用一种光、声或者电等特性，借助现代技术和设备，以物理方式实现检测的方法总称[2]。而X射线检测技术，具有全面性、细致性等特征，因此研究X射线无损探伤技术，在变电站运行状态GIS检测中的应用，通过使用X射线无损探伤技术，对因地理位置复杂、探测困难的变电站用电设备和输电线路进行检测，进一步维护电网和电力系统使用的安全性。

1 X射线无损探伤技术在变电站运行状态GIS检测中的应用

1.1 设计X射线防护装置

为了阻止高频电场磁场脉冲干扰X射线无损探伤技术的工作，并且X射线损害工作人员身体健康状态，应用X射线无损探伤技术之前，首先设计一个防护装置，用来屏蔽电场磁场脉冲和射线。设计防护装置之前，首先要计算X射线源的射线强度，公式为：

P0=kIHV2

(1)

公式中：P0表示X射线初始强度；k表示比例系数；I表示管电流值；H表示检测对象的原子序数；V表示管电压。根据装置参数，取比例系数、电流、电压的最大值，分别为1.4×10-6、1.25mA和160kV，根据检测对象的序数，计算X射线的初始强度为：

P0=1.4×10-6×1.25×1602×74=3.3152 C/kg

(2)

(3)

因此选择上述材料，作为防护装置的基本制作材料，制作3类不同的防护装置，表1为实际应用测试下，3种防护装置的屏蔽能力比较结果[3]。

分析表1中的比较数据，选择全封闭金属罩，该封闭金属罩不是真正意义上的全面屏蔽，而是仅留有1个可探入X射线的孔口，在不使用时可以实现全面屏蔽。作为此次研究中的屏蔽装置，一方面用来屏蔽干扰信号，另一方面可以保护工人使用安全[4]。图1为设计的全封闭金属罩基本结构。

表1 3种防护装置的屏蔽性能比较

图1 金属屏蔽装置主视图

要求将该装置能完全包围X射线机和成像板，且能和安装机构完整契合，实现对检测工作的保护。

1.2 设置坐标系构建X射线相机模型

将上述装置与其他检测设备之间建立连接关系，然后设置不同的坐标系，构建X射线相机模型。X射线检测后会生成X光照片，然后该照片进入计算机后转换成数字图像，而该图像的坐标系原点在左上角，横轴正方向向右，纵轴方向向下，并以M×N的数组形式存储，其中M表示图像宽度，N表示图像高度。因此利用像素在M×N中的行和列，表示像素在图像坐标系内的基本坐标，但此时的像素点的位置，只是用像素个数表达，因此需要建立全新的图像坐标。假设图像的中心坐标原点为O1，x轴和y轴与原始坐标横轴、纵轴同向，单位为毫米，则坐标系O1xy的中心坐标为(x0,y0)，图像中任意一个像素点，在该坐标系中的物理尺寸为：

(4)

公式中：a、b为原始图像坐标的长和宽。根据上述计算，确定原始坐标中的节点，在新坐标系中的位置[5]。而在变电站运行状态GIS检测的实际工作中，使用相机进行拍摄时，拍摄位置是动态变化的，因此需要设置一个世界坐标系，确定摄像机和GIS在实际空间中的位置，该坐标系与设置的图像坐标系、相机坐标系之间的关系，如图2所示。

图2 图像坐标系、世界坐标系、相机坐标系基本关系图

根据上述设置结果，构建X光摄像机模型。假设图2中存在一个节点U，U在图像上的投影点为点u，该点同时也是点U与相机光心O2的连线，也是图像平面之间的交点，因此默认节点U在摄像机坐标系下的坐标为(Xc,Yc,Zc)，投影点u在图像坐标系内的坐标为(x,y)，因此有：

(5)

根据上述计算结果，构建X射线相机模型，利用该模型确定每一个检测环节中，具体检测位置[6]。

1.3 检测变电站运行状态

选择合适的管电压、管电流，用来检测变电站运行状态。其中在X射线无损探伤检测工作中，管电压会直接决定X射线的透照能力。而射线检测的灵敏度，是工件对比度和成像板灵敏度来决定的。其中工件对比度，为X射线通过工件的不同区域后，得到的线强度比率；而成像板灵敏度是检测系统决定的，很难被改变。因此可知管电压与材料的吸收系数和缺陷深度之间，存在如下关系：

(6)

公式中：P1、P2分别表示X射线经过无缺陷、有缺陷部位后的射线强度；λ表示吸收系数；Δd表示缺陷深度[7]。其中缺陷深度是被检测对象的实际定值，而材料吸收系数的具体取值，可以通过下列公式获得：

λ=εφ3H3

(7)

公式中：ε表示系数定值；φ表示入射射线波长。已知射线波长与电压成反比关系，因此采用较小的管电压，提高工件对比度，提高图像的质量。总结出选用管电压的条件：在条件允许时，尽可能选用较低的管电压，从而提高检测对象的对比度，提高射线检测的灵敏度，改善图像质量。而管电流是X射线机，阴极加热丝的电流，当电流越大时，射线机产生的电子就会越多，打到阳极靶的电子量也随之增多，由此产生的射线数量就越多。而直接数字化X射线的摄影系统DR，通常情况下其透照时间为2s，并叠加4次采集图像，同时焦距也为设定值，通过调节管电流，改变曝光度。当DR检测系统功率在900W时，设置的最大透照电压为300kV，因此设置管电流为3mA，便于在调整管电压时，不用再更改管电流值[8]。通过同时考虑管电压与管电流的用途与关系，选择适合变电站GIS检测的管电压与管电流，完成变电站运行状态检测任务。

1.4 处理GIS检测图像

得到检测X光图像后，通过几何变换、灰度变换、图像平滑和阈值分割手段，处理GIS检测图像。首选在几何变换过程中，对原始X光图像进行大小、形状和位置变换，同时缩放原始图像，并将整个成像区域用以像素为单位的网格覆盖，将图像进行翻转，得到对应的X射线图像。再进行灰度变换处理，该处理工程的计算表达式为：

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

(8)

公式中：h(x,y)表示经过变换后，某一点的灰度值；f(x,y)表示原始X光图像中，某一点的灰度值；F表示一种操作手段，即点操作和模板操作手段。利用灰度变换改变原始图像的灰度范围，增强图像的对比度，改善检测图像的视觉观察效果[9]。第三步进行图像平滑处理。通过该技术消除图像采集、传输及后续处理工作中出现的噪声。此次研究利用模板思想平滑处理像素点。通过计算一个像素点，与周围其他像素点的平均灰度，找到其中突然变化的点并剔除，在一定程度上降低噪声，但图像会产生一定程度的模糊，因此执行模板运算时，不允许模板移出边界；还要求通过分解的方法进行平滑运算，达到提高运算速度这一要求。图3为平滑处理前后的背景图像。

图3 平滑处理前后的图像

最后进行图像分割，将重点检测区域中的部件图像信息，从原始图像中分割出来，达到便于观察和处理的操作目的。而该操作下，两次灰度过滤的起始和终止灰度值，都是可改变的，并且可以设置成不同的区域颜色，通过调整阈值范围，在图像上将GIS软件从检测背景中分离出来，便于比较观察，至此实现X射线无损探伤技术，在变电站运行状态GIS检测中的应用[10]。

2 实验与分析

为了验证此次提出的应用手段，是否安全可靠，进行实地测试，对比不同测试电压下，X射线无损探伤技术的应用效果。

2.1 实验准备

选择实验所需的各项检测设备以及实验测试对象，图4为实验选择的主要设备。

图4 X射线检测设备

图4中，X射线机为XXG-2005RH型号的便携式中频X射线探伤机，X射线管电压峰值为100～200kVP，X射线管电流平均值为5mA，X射线辐射角为40±5°，安全工作压力为0.36Mpa～0.45Mpa。平板探测器采用的是VAREX平板影像探测器，型号为1308DX，像素面积13×8cm2，极限分辨率为3.94lp/mm，能量范围为40～160kV。

X射线无损探伤技术可以实现在不拆卸变电设备和不破坏周边环境的情况下实现变电站运行状态GIS检测，其主要是由平板探测器中的成像装置收集X射线机照射变电设备后的射线信息，实现可视化诊断。按照图4所示的X射线检测设备，利用数据传输网线，连接移动工作站和平板探测器；利用控制电缆连接控制箱和X射线机，搭建实验测试环境。通过对控制箱设置实验参数，使X射线机产生X射线对被检测部位进行透射，最后传输至移动工作站形成数字影像(图5)。

图5 实验测试平台

已知X射线图像质量，与电流、电压和焦距相关，因此将GIS相关硬件，摆放到平板探测器的中间位置，或者让平板探测器的中间位置，完全覆盖GIS相关硬件的待检测位置，如图6所示。

图6 检测位置示意图

实验共设置两个测试组，第一组测试中，不在X射线机和平板探测器附近，添加此次设计的金属罩；第二组测试组，在X射线机和平板探测器周围，安装全封闭金属罩，比较两个测试组之间的检测差异性。为了保证参与工作人员的人身安全，当X射线开始检测任务时，让实验人员站在辐射区以外。上述工作准备完毕后，开始实验。

2.2 未安装全封闭金属罩的X射线检测

在X射线机无屏蔽情况下，设置3组不同的电压，利用X射线检测变电站运行状态下，GIS接续管处的工作状态，如图7所示。

图7 未安装全封闭金属罩的X射线拍摄结果

根据图7可知，当外加电压超过150kV后，X射线机无法反馈检测结果，这是由于输电线路局部放电故障，导致检测区域内产生了不同频率的高频电场磁场脉冲，该电磁脉冲破坏检测设备中的电子元件，直接干扰X射线的正常工作，从而影响检测结果。

2.3 安装全封闭金属罩的X射线检测

安装全封闭金属罩，保证其他测试条件不变，被屏蔽后的X射线机，对接续管的检测结果，如图8所示。

图8 安装全封闭金属罩的X射线拍摄结果

根据图8所示的四组拍摄结果可以看出，利用全封闭金属罩隔离X射线机后，X射线机可以在变电站高电压工作状态下正常工作，X射线机不受超强电磁环境的影响，拍摄的效果同样清晰。由此可见，此次研究设计的全封闭金属罩，能够帮助X射线无损探伤技术，完成对变电站运行状态的GIS检测。

3 结束语

根据大量实验测试证实，此次提出的X射线无损探伤技术的应用方法，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处。第一，在处理X射线拍摄图像上，还要进一步加强；同时还可以引入无损检测技术的应用思路，进一步优化X射线相机模型，为电路行业的发展，提供更先进的技术支持。