工业CT/DR 检测系统在盆式绝缘子检测中的应用研究

尹奎龙 ，陈 聪 ，孙学武 ，李正利 ，冯云国

（1.国网山东省电力公司物资公司，山东 济南 250001；2.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，山东 济南 250002）

0 引言

GIS设备自20世纪60年代实用化以来，已广泛运行于世界各地。与常规敞开式变电站相比，GIS具有结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量小等优点［1］。盆式绝缘子是GIS产品中的关键零部件，承受着电、热应力的作用。绝缘类故障是GIS设备故障的主要原因之一［2-3］。盆式绝缘子放电缺陷主要分为绝缘子表面脏污、绝缘子表面金属异物、绝缘子内部气隙等，其中盆式绝缘子内部气隙缺陷是大部分GIS设备绝缘故障的主要原因。

DR（Digital Radiography）成像是一种直接成像技术，直接将X射线光子通过探测采集系统转换为数字化图像。与传统的胶片透视成像相比，可大幅提高成像效率，便于进行图像处理和存储。基于上述优点，DR成像技术被普遍应用于盆式绝缘子内部气隙缺陷检测。但由于DR成像技术在进行盆式绝缘子内部气隙缺陷检测时，会产生图像重叠，存在漏检风险，难以满足盆式绝缘子内部气隙缺陷检测要求。

1 工业CT/DR检测系统

1.1 工业CT/DR检测系统简介

研究所用设备为9MeV电力设备材料工业CT/DR无损检测系统，系统主要由电子直线加速器系统、探测采集传输系统、机械系统、控制系统、图形系统、图像系统、辐射安全防护及监视系统等组成。可进行DR数字照相、二代CT（旋转+平移）和三代CT（旋转）3种扫描检测。其中，DR成像是利用射线从单一方向穿过被试物体，系统对检测的信息进行重建后，以二维透视图像形式展现所检测方向的重叠密度分布；CT成像是利用射线从多个方向透射过被试物体某断层，计算机对采集的数据进行图像重建，以二维图像形式展现所检测断层的密度分布。

1.2 工业CT/DR检测系统原理

工业CT/DR检测系统是利用电子直线加速器产生的X射线穿透被测物体，探测器将侦测到的光信号转换成电信号，经计算机处理后重建出该物体的DR图像、二维断层图像或者三维图像。其中，CT图像的像素位置与物体被扫描断面或区域位置对应，各像素点灰度值与工件上该点物质对应X射线的衰减值成一定对应关系，从而通过数字图像反映被测物体内部的几何细节、材质差别及缺陷状况，实现对被测物体内部的检测与分析。工业CT/DR检测系统工作原理如图1所示。

图1 CT/DR检测系统工作原理

2 盆式绝缘子检测

CT技术具有图像不重叠、成像清晰准确的优点，可以弥补DR成像技术在进行检测时产生的图像重叠缺陷，考虑DR成像技术检测速度快，而CT扫描速度较慢的特点，为充分利用二者优点，将工业CT/DR检测系统应用于盆式绝缘子内部气隙缺陷检测。

2.1 实验用盆式绝缘子试块设计

盆式绝缘子是GIS的关键部件，起到隔离气室、支撑导体的重要作用［4］。内部气隙是造成盆式绝缘子绝缘故障的主要原因之一［5］。针对两种不同规格型号的盆式绝缘子设计制作了对比试块。两种盆式绝缘子缺陷对比试块加工示意如图2、图3所示。

图2 GIS盆式绝缘子a

图3 GIS盆式绝缘子b

绝缘子a缺陷加工如图2所示，共加工7组孔，每组孔的深度，按圆周顺时针方向依次为深1 mm、3 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm，孔中心与突起边缘间距10 mm，同一组内相邻孔间距为10 mm。绝缘子b缺陷加工如图3所示，共加工两组孔，每组孔的中心间距10 mm，孔径和孔深分布如图4所示。

图4 绝缘子b缺陷加工局部放大示意

2.2 工业CT/DR检测系统DR检测参数优化

为提高工业CT/DR检测系统应用于盆式绝缘子检测时的检测精度，以图2所示盆式绝缘子a为实验对象，进行工业CT/DR检测系统DR检测工艺参数优化试验。在常用同步频率（150 Hz）下通过改变不同检测参数，观察最小可见缺陷尺寸，试验结果如表1所示。

表1 同步频率150 Hz时不同检测参数下的最小可见缺陷

由表1试验结果可知，通过提高采样时间、减小视场直径、增大图像矩阵可有效地提高检测的灵敏度，获得较高的图像质量。建议图像矩阵采取1 024×1 024以上、采样时间50 ms以上、视场直径等于或稍大于绝缘子最大直径作为最优DR检测参数。在最优检测参数下正面透照与反面透照所获得的影响基本相同，缺陷的不同埋藏深度对检出结果可以忽略不计，如图5、图6所示。

图5 最优参数正面透照

图6 最优参数反面透照

2.3 工业CT/DR检测系统检测GIS绝缘子工艺优化

对绝缘子对比试块进行全断层CT扫描，对于所在断层上的圆形气孔（包括形状不规则的气隙）有非常高的灵敏度，所扫描断层上的圆形缺陷在图像中可全部显示。对比试块中刻槽模拟的条形缺陷，由于和断面成一定夹角，在图像中仅能显示在断层中的开口宽度，不能反映出缺陷整体形状。需要在此断层附近相邻断层增加检测面，直至缺陷消失，并将连续的断层合成三维图像，以判断条形气隙的大小。CT检测对条形气隙的检测效率低于DR检测。连续断层合成的三维图像如图7所示。

图7 合成三维图像显示

DR检测时，受射线入射角度的影响，金属嵌件的图像叠加对缺陷影像造成干扰，存在漏检风险。而全断层CT检测在不考虑检测效率的情况下，检测结果最为精准，可检出所有加工缺陷。考虑到实际检测工作应在保证检测清晰度的前提下兼顾检测效率，对工业CT/DR检测系统检测GIS绝缘子进行工艺优化：首先使用最优DR检测参数进行DR扫描，DR检测完成后对缺陷部位、怀疑部位及金属嵌件所在断层等重点部位进行CT检测。优化后的检测工艺可实现工业CT/DR检测系统中两种检测方法互相配合，在不影响检测结果准确率的情况下提高检测效率。

3 检测试验

3.1 射线数字成像技术（DR）检测

使用DR成像设备对绝缘子缺陷模拟试块进行DR扫描，得到的检测结果如图8所示。Φ0.5×1、Φ0.5×3、Φ0.5×5、Φ1×1、Φ1×3、Φ1.5×1 的气隙缺陷未能在检测图像中显示。且 Φ3×1、Φ4×1、Φ5×1的气隙轮廓边缘显示并不清晰，在实际检测工作中可能存在漏检风险。

3.2 基于优化方法的工业CT/DR检测试验

在最优DR检测参数下使用工业CT/DR系统进行初步DR检测，底片中可见全部气孔缺陷显示，但深度为1 mm的系列气孔边缘显示并不清晰只是模糊可见。DR检测图像如图9所示。

图8 DR成像技术检测影像

图9 工业CT/DR检测系统DR图像

根据优化流程，随后对不清晰位置使用CT断层扫面方法进行补充检验。获得了准确清晰的图像显示。如图10所示。运用优化的工业CT/DR检测方法获得人工绝缘子缺陷试块所有缺陷信息的清晰显示。

图10 工业CT/DR检测系统CT扫描断层下孔的显示

3.3 实验结果比较

综合对比3种检测方法对缺陷模拟试块的检测结果可知：优化的工业CT/DR系统检测方法可以检出缺陷模拟试块的所有缺陷，最小气隙缺陷尺寸为Φ0.5×1。检测灵敏度远高于现有DR成像技术检测方法。同时对于深度较小的缺陷可获得更加清晰的显示效果。优化的检测方法与单纯CT扫描检测灵敏度相同，但检测速度大大提升。使用优化方法检测耗时仅为单纯CT扫描的1/10，在保证准确率的前提下，兼顾了检测效率。

4 结语

DR成像检测技术是目前常用的无损检测方法，由于其在检测时存在图像重叠缺陷，可能造成绝缘子内部气隙缺陷的漏检。通过对工业CT/DR检测系统进行参数设置与检测流程优化，将该检测系统应用于盆式绝缘子内部气隙缺陷检测，实际检测结果证明，优化的CT/DR检测方法检测灵敏度高，检测速度快，对于GIS盆式绝缘子内部气隙检测是一种行之有效地检测手段。