CN106610386A - 基于x射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法及检测装置 - Google Patents

基于x射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法及检测装置 Download PDF

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CN106610386A CN201710116884.0A CN201710116884A CN106610386A CN 106610386 A CN106610386 A CN 106610386A CN 201710116884 A CN201710116884 A CN 201710116884A CN 106610386 A CN106610386 A CN 106610386A
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Abstract

本发明公开了一种基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法及检测装置，方法步骤包括：确定铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线、铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线，确定被测干式变压器的外层高压绕组的金属厚度并计算铜/铝材质理论过饱和电压，通过X射线机及射线剂量探测仪检测实测过饱和电压V，然后根据实测过饱和电压V和铜/铝材质理论过饱和电压来进行比较来鉴别干式变压器绕组材质；检测装置包括X射线机和射线剂量探测仪，所射线剂量探测仪包括电源电路、微处理器、数据输出模块、振荡电路和至少一个G‑M探测器。本发明无需拆解，能够在无损本体的情况下快速鉴别干变绕组材质。

Description

基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法及检测装置
技术领域
本发明涉及干变(干式变压器)的绕组材质鉴别技术，具体涉及一种基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法及检测装置。
背景技术
近年来，由于经济的高速发展，干变(干式变压器)的技术不断提高，虽然干变造价较高，但同油浸式变压器相比，它具有体积小，安装方便，维护简单，安全净距小，安全性能好等诸多优点，因此仍然具有广阔的应用前景。
干变的制造材料基本采用阻燃物质，缠绕线圈的玻璃纤维等绝缘材料作为阻燃物质具有很好的自熄特性，不会因短路产生电弧，高热下树脂不会产生有毒害气体，线圈外层树脂层薄，散热性能好。变压器的铁心采用优质硅钢片，经过剪裁叠成阶梯截面的铁心柱(轭)，心柱与轭接缝成450连接，可降低空载损耗。干变为环氧树脂浇注包封结构，具有防潮、防尘的特点，线圈的温升为100k～120k，耐热等级为F-小时级，产品寿命在30年以上。干变的低压绕组采用铜箔绕制，可降低轴向短路冲击力，层间绝缘为F级半固化绝缘材料，线圈外层用玻璃纤维丝增强树脂包封，具有很强的承受短路的能力。高压绕组直接包绕在低压绕组上，导线采用小时级漆包铜线，采用滚筒式结构，在冲击电压作用下呈线性分布，所以具有良好的抗冲击电压特性。高压绕组层间以及外层用玻璃纤维丝缠绕，固化后有很好的轴向及径向的机械强度，冷热冲击稳定性好。高压绕组中可按散热需要，设置单个或多个轴向冷却通道以改善其温度的分布。
干变的安全运行和使用寿命很大程度上是由绕组的可靠性决定的。绕组温度超标可导致变压器出现故障和损坏，绕组不佳可导致负载损耗过、高寿命下降等问题，这些都与绕组材质直接相关。但是，由于干变外层采用玻璃纤维等绝缘材料固封，线圈材质不能直接进行检测，因此目前部分厂家为了降低生产成本，采用了铝质绕组来代替铜质绕组，而通过常规的试验如空负载、变比等试验均无法对绕组线圈的材质进行判别，部分单位为检测固封与绝缘材料内部的绕组材质，甚至使用破坏性检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法及检测装置，能够实现干式变压器绕组材质的现场快速检测，无需对干式变压器绕组进行拆解便可对绕组内部的材质种类检测，解决了实际生产中只能拆解后对绕组材质进行力学检测，而不能在无损本体的情况下对绕组材质进行检测的难点，该方法及设备简单易用，解决了配网设备中干式变压器绕组材质质量监督检测的难题，简化了常规的绕组试验条件和要求，应用时不受场地及设备限制，前端探测器为长方形，且尺寸较小，能够满足不同型号干式变压器的绕组材质检测要求，能够便携移动到现场进行检测，简便高效。本发明采用X射线原、基于X射线剂量对干式变压器绕组材质进行检测，能够清楚显示材质为铜或铝，对比设计或技术协议从而发现材质是否符合要求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法，步骤包括：
1)预先确定铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线、铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线，所述过饱和电压具体是指通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时X射线机的激发管电压；
2)测量被测干式变压器的外层高压绕组的厚度H1，将厚度H1减去被测干式变压器的树脂层厚度以及匝间绝缘层厚度，得到外层高压绕组除去绝缘后的金属厚度D，将金属厚度D分别代入铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线、铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线，分别计算得到铜材质理论过饱和电压VB铜、铝材质理论过饱和电压VB铝；
3)通过X射线机从被测干式变压器的外层高压绕组外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在外层高压绕组内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，记录射线剂量探测仪过饱和时X射线机的激发管电压，得到实测过饱和电压V；
4)将实测过饱和电压V和铜材质理论过饱和电压VB铜、铝材质理论过饱和电压VB铝进行比较，如果实测过饱和电压V大于或等于铜材质理论过饱和电压VB铜，则跳转执行步骤8)；如果实测过饱和电压V小于铜材质理论过饱和电压VB铜且大于铝材质理论过饱和电压VB铝，则跳转执行下一步；如果实测过饱和电压V小于铝材质理论过饱和电压VB铝，则跳转执行步骤9)；
5)判断实测过饱和电压V大于AVB铜是否成立，其中A为预设的大于0且小于1的系数，VB铜表示铜材质理论过饱和电压，如果成立则跳转执行步骤8)；如果不成立，则跳转执行下一步；
6)判断实测过饱和电压V小于BVB铝是否成立，其中B为预设的大于0且小于1的系数，VB铝表示铝材质理论过饱和电压，如果成立则跳转执行步骤9)；如果不成立，则跳转执行下一步；
7)判定干式变压器绕组材质为铜-铝复合，并根据预设的铜铝复合绕组厚度-过饱和电压表分别确定干式变压器绕组材质中铜材质的厚度和铝材质的厚度，所述铜铝复合绕组厚度-过饱和电压表包括指定厚度的铜材质、指定厚度的铝材质及过饱和电压之间的映射关系；
8)判定干式变压器绕组材质为铜，退出；
9)判定干式变压器绕组材质为铝，退出。
优选地，步骤1)中铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线如式(1)所示，铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线如式(2)所示；
VB铜＝5.56H+101 (1)
式(1)中，VB铜表示铜材质厚度H对应的过饱和电压；
VB铝＝1.626H+49.8 (2)
式(2)中，VB铝表示铝材质厚度H对应的过饱和电压。
优选地，步骤1)的详细步骤包括：设置一组不同厚度的铜材质样品作为待测目标，通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时记录X射线机的激发管电压作为过饱和电压，将不同厚度的铜材质样品的过饱和电压进行拟合，从而得到铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线；设置一组不同厚度的铝材质样品作为待测目标，通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时记录X射线机的激发管电压作为过饱和电压，将不同厚度的铝材质样品的过饱和电压进行拟合，从而得到铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线。
优选地，步骤3)的详细步骤包括：
3.1)将X射线机固定在被测干式变压器的外层高压绕组外侧指定检测点，在外层高压绕组内侧位于指定检测点的后侧放置射线剂量探测仪；将X射线机开机，在X射线机开机进入系统后进行训机，训机完成后跳转执行下一步；
3.2)设置X射线机的起始激发管电压，当激发管电压上升至设定的起始激发管电压后，以指定电压为间隔逐步提升X射线机的激发管电压，并记录激发管电压和射线剂量探测仪输出的剂量率，当射线剂量探测仪输出的剂量率为9.99Gy/h后，判定射线剂量探测仪过饱和，并将对应的激发管电压作为实测过饱和电压V。
优选地，步骤5)中的系数A为0.75，步骤6)中的系数B为0.10。
优选地，步骤8)判定干式变压器绕组材质为铜之前还包括根据式(3)进行复核的步骤，如果复核不通过，则跳转执行步骤3)；如果复核通过，才判定干式变压器绕组材质为铜；
式(3)中，H18表示18mm的材质厚度，H20表示20mm的材质厚度，H22表示22mm的材质厚度，H24表示24mm的材质厚度，H26表示26mm的材质厚度，H28表示28mm的材质厚度，H30表示30mm的材质厚度，H32表示32mm的材质厚度，I表示射线剂量探测仪输出的剂量率，V表示X射线机的激发管电压。
优选地，步骤9)判定干式变压器绕组材质为铝之前还包括根据式(4)进行复核的步骤，如果复核不通过，则跳转执行步骤3)；如果复核通过，才判定干式变压器绕组材质为铝；
式(4)中，H18表示18mm的材质厚度，H22表示22mm的材质厚度，H26表示26mm的材质厚度，H30表示30mm的材质厚度，H34表示34mm的材质厚度，H38表示38mm的材质厚度，I表示射线剂量探测仪输出的剂量率，V表示X射线机的激发管电压。
进一步地，本发明还提供一种基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别检测装置，包括X射线机和射线剂量探测仪，所述X射线机的射线窗口布置于被测干式变压器的外层高压绕组的指定检测点外侧，所述射线剂量探测仪布置于所述外层高压绕组的指定检测点内侧。
优选地，所述X射线机的管电压回路上设有电压采集电路，所述射线剂量探测仪包括微处理器、高频方波调制输出电路、高压电源、G-M探测器、信号采集电路、放大整形电路、A/D转换电路和数据输出模块，所述微处理器的输出端依次通过高频方波调制输出电路、高压电源和G-M探测器的阳极相连，所述G-M探测器的阴极依次通过信号采集电路、放大整形电路和微处理器的输入端相连，所述电压采集电路通过A/D转换电路和微处理器的输入端相连，所述微处理器和数据输出模块相连，所述G-M探测器布置于所述外层高压绕组的指定检测点内侧。
优选地，所述射线剂量探测仪布置于射线源屏蔽罩内，且所述G-M探测器布置于射线源屏蔽罩的外侧。
本发明基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法具有下述优点：
1、本发明属于现场干式变压器绕组材质检测，无需对干式变压器绕组进行拆解便可对绕组内部的材质种类检测，解决了实际生产中只能拆解后对绕组材质进行力学检测，而不能在无损本体的情况下对绕组材质进行检测的难点，该方法及设备简单易用，解决了配网设备中干式变压器绕组材质质量监督检测的难题。
2、本发明简化了常规的绕组试验条件和要求，应用时不受场地及设备限制，前端探测器为长方形，且尺寸较小，能够满足不同型号干式变压器的绕组材质检测要求。
3、本方法采用的干式变压器绕组材质试验方法，几分钟就可以完成一次检测，可以便携移动到现场进行检测，简便高效。
综上所述，本发明基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法采用X射线原理、基于X射线剂量对干式变压器绕组材质进行检测，可以清楚显示材质为铜或铝，对比设计或技术协议从而发现材质是否符合要求。
本发明基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别检测装置具有下述优点：本发明基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别检测装置为针对本发明基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法的射线剂量探测仪进行了改进，通过X射线机的应用、射线剂量探测仪的结构改进，以及X射线机和射线剂量探测仪之间位置关系的确定，能够实现本发明基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法中的X射线剂量检测以及过饱和电压采集，同样也具有前述无需对干式变压器绕组进行拆解便可对绕组内部的材质种类检测、应用时不受场地及设备限制、尺寸较小、能够满足不同型号干式变压器的绕组材质检测要求、简便高效的优点。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例方法中铜绕组厚度—过饱和电压关系示意图。
图3为本发明实施例方法中铝绕组厚度—过饱和电压关系示意图。
图4为本发明实施例中铜绕组的相同电压下不同铜绕组厚度—剂量率关系曲线对比。
图5为本发明实施例中铜绕组的管电压V—lnI关系曲线，横轴表示V，纵轴表示lnI。
图6为本发明实施例中铜绕组的V—lnI关系曲线，横轴表示激发管电压V，纵轴表示lnI。
图7为本发明实施例中射线剂量I>0.5时铜绕组的V—I关系曲线，横轴表示激发管电压V，纵轴表示射线剂量I。
图8为本发明实施例中铜绕组的B值拟合曲线示意图。
图9为本发明实施例中铜绕组的C值拟合曲线示意图。
图10为本发明实施例中铝绕组V-Z关系曲线，横轴为激发管电压V，纵轴为拟合函数Z。
图11为本发明实施例中铝绕组的B值拟合曲线示意图。
图12为本发明实施例中铝绕组的C值拟合曲线示意图。
图13为本发明实施例干变绕组材质快速鉴别检测装置的结构示意图。
图例说明：1、X射线机；11、电压采集电路；2、射线剂量探测仪；21、微处理器；22、高频方波调制输出电路；23、高压电源；24、G-M探测器；25、信号采集电路；26、放大整形电路；27、A/D转换电路；28、数据输出模块。
具体实施方式
如图1所示，本实施例基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法的步骤包括：
1)预先确定铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线、铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线，所述过饱和电压具体是指通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时X射线机的激发管电压；
2)测量被测干式变压器的外层高压绕组的厚度H1，将厚度H1减去被测干式变压器的树脂层厚度(本实施例中薄绝缘干式变压器的树脂层厚度约为4～5mm)以及匝间绝缘层厚度(本实施例中的匝间绝缘层的厚度约为2mm)，得到外层高压绕组除去绝缘后的金属厚度D，将金属厚度D分别代入铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线、铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线，分别计算得到铜材质理论过饱和电压VB铜、铝材质理论过饱和电压VB铝；
3)通过X射线机从被测干式变压器的外层高压绕组外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在外层高压绕组内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，记录射线剂量探测仪过饱和时X射线机的激发管电压，得到实测过饱和电压V；
4)将实测过饱和电压V和铜材质理论过饱和电压VB铜、铝材质理论过饱和电压VB铝进行比较，如果实测过饱和电压V大于或等于铜材质理论过饱和电压VB铜，则跳转执行步骤8)；如果实测过饱和电压V小于铜材质理论过饱和电压VB铜且大于铝材质理论过饱和电压VB铝，则跳转执行下一步；如果实测过饱和电压V小于铝材质理论过饱和电压VB铝，则跳转执行步骤9)；
5)判断实测过饱和电压V大于AVB铜是否成立，其中A为预设的大于0且小于1的系数，VB铜表示铜材质理论过饱和电压，如果成立则跳转执行步骤8)；如果不成立，则跳转执行下一步；本实施例中，系数A预设为0.75；
6)判断实测过饱和电压V小于BVB铝是否成立，其中B为预设的大于0且小于1的系数，VB铝表示铝材质理论过饱和电压，如果成立则跳转执行步骤9)；如果不成立，则跳转执行下一步；本实施例中，系数B预设为0.10；
7)判定干式变压器绕组材质为铜-铝复合，并根据预设的铜铝复合绕组厚度-过饱和电压表分别确定干式变压器绕组材质中铜材质的厚度和铝材质的厚度，所述铜铝复合绕组厚度-过饱和电压表包括指定厚度的铜材质、指定厚度的铝材质及过饱和电压之间的映射关系；
8)判定干式变压器绕组材质为铜，退出；
9)判定干式变压器绕组材质为铝，退出。
本实施例中，步骤1)中铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线如式(1)所示，铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线如式(2)所示；
VB铜＝5.56H+101 (1)
式(1)中，VB铜表示铜材质厚度H对应的过饱和电压；
VB铝＝1.626H+49.8 (2)
式(2)中，VB铝表示铝材质厚度H对应的过饱和电压。
本实施例中，12～60mm的铜绕组在40～300kV电压下的X射线剂量率如表1所示。160kVA～1000kVA的配电干式变压器单层低压或高压绕组的厚度多集中在15～35mm之间，所以首先15～35mm厚度区间数据进行分析，可发现在此区间出现了明显的过饱和电压，即在该管电压下剂量探测仪的剂量率为9.99μGy/h。如图2所示，可以看出绕组透照过饱和电压随绕组厚度的增加而增加，且曾直线上升的趋势，测试数据的线性相关性较好，可拟合得到如式(1)所示函数表达式。表1：铜绕组厚度—过饱和电压参数表。
本实施例中，12～92mm的铝绕组在20～190kV电压下的X射线剂量率如表1所示。160kVA～1000kVA的配电干式变压器中，若材质为铝，其低压或高压绕组的单层或总厚度多集中在12～92mm之间，可发现在此区间出现了明显的过饱和电压，即在该管电压下剂量探测仪的剂量率为9.99μGy/h。如图3所示，同时可以看绕组透照过饱和电压随绕组厚度的增加而增加，且曾台阶上升的趋势，但总体符合线性关系，铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线可拟合得到如式(2)所示函数表达式。
表2：铝绕组厚度—过饱和电压参数表。
本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：设置一组不同厚度的铜材质样品作为待测目标，通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时记录X射线机的激发管电压作为过饱和电压，将不同厚度的铜材质样品的过饱和电压进行拟合，从而得到铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线；设置一组不同厚度的铝材质样品作为待测目标，通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时记录X射线机的激发管电压作为过饱和电压，将不同厚度的铝材质样品的过饱和电压进行拟合，从而得到铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线。
本实施例中，步骤3)的详细步骤包括：
3.1)将X射线机固定在被测干式变压器的外层高压绕组外侧指定检测点，在外层高压绕组内侧位于指定检测点的后侧放置射线剂量探测仪；将X射线机开机，在X射线机开机进入系统后进行训机，训机完成后跳转执行下一步；
3.2)设置X射线机的起始激发管电压，当激发管电压上升至设定的起始激发管电压后，以指定电压为间隔逐步提升X射线机的激发管电压，并记录激发管电压和射线剂量探测仪输出的剂量率，当射线剂量探测仪输出的剂量率为9.99Gy/h后，判定射线剂量探测仪过饱和，并将对应的激发管电压作为实测过饱和电压V。
本实施例中，步骤8)判定干式变压器绕组材质为铜之前还包括根据式(3)进行复核的步骤，如果复核不通过，则跳转执行步骤3)；如果复核通过，才判定干式变压器绕组材质为铜；
式(3)中，H18表示18mm的材质厚度，H20表示20mm的材质厚度，H22表示22mm的材质厚度，H24表示24mm的材质厚度，H26表示26mm的材质厚度，H28表示28mm的材质厚度，H30表示30mm的材质厚度，H32表示32mm的材质厚度，I表示射线剂量探测仪输出的剂量率，V表示X射线机的激发管电压。
式(3)所示函数表达式的推导过程如下：
结合表1可知，对于铜材质而言，相同电压等级X射线管发出的X射线透过不同厚度的吸收物质时，随着吸收物质厚度的增加，不但X射线的总强度减小，同时剂量率越来越趋于一致。这是因为射线在透照过程中与物质发生电子对及光电效应后，平均波长向短的方向移动，同时能谱发生硬化，也就是高能粒子所占的比例加大，这是由于低能粒子容易被吸收的缘故。同时，参见图4，可以看出，不同能量的X射线在穿透物质时发生衰减程度是有差异的，一些实验表明：物质对X射线的吸收程度与射线波长的三次方成正比，即与射线能量的三次方成反比。即在穿透一定物质后，射线中能量高的部分更多地保留下来，而能量低的射线则损失得更多，最终得到的射线的能谱分布将向高能量段偏移，并且射线穿透的物质越多，这种偏移的程度越大；主要由射线束硬化效应引起。射线在穿透不同厚度的物质的过程中，由于低能粒子容易被吸收的缘故，故线性吸收系数随着厚度的增加而减小，图4中每点处的斜率既为吸收系数μ，这从侧面验证了吸收系数随能量的增高而减小的理论。
众所周知，射线剂量I与激发管电压V的关系为I＝KiZV2，对两者取对数即可得：
lnI＝lnKiZ+2V (3)
式(3)中，I表示射线剂量，K为比例常数，K≈(1.1-1.4)×10-6_，i为管电流，Z为原子序数，V表示激发管电压。
依照窄束射线的衰减规律，lnI与管电压应存在线性关系。窄束射线是指不包括散射部分的光束，通过物质后的射线，仅由为与物质发生相互作用的光子组成。窄束射线只能通过准直器得到细小的辐射束流，射束有一定的宽度，但其中没有散射的成分。本实施例中利用的试验机为X射线机，并未加装准直器，剂量率探测仪到达探测器的束流中，包含有散射射线的成分，束流中的光子往往也不具有相同的能量。宽束多色射线通过物质时，强度衰衰减具有一些不同窄束单色射线的特点，式lnI＝lnKiZ+2V在一定范围内不适用于宽束多色射线。
图5为铜绕组管电压V—lnI关系曲线，可以看出，曲线在下部上升较快，即随着电压的上升剂量率上升明显；而在上部的斜率变小，即随着电压的上升剂量率上升变缓。对电压V—lnI关系曲线进行分段处理，以lnI＝0.5为临界值将其分为两个区间。
图6为lnI<0.5时电压V—lnI关系曲线，可以看出在此区间两者主要曾线性相关，且其斜率K差别较小，斜率K的主要区间为0.13-0.86。
图7为剂量率I>0.5时电压V—I关系曲线，可以看出在此区间两者主要曾抛物线关系，利用线性拟合对数据进行处理。由于目前并无明确资料表明剂量率I与激发管电压V的关系，所以用以下方法进行推导：(1)假设激发管电压V的平方V2与辐射值的对数值lnz满足函数关系：lnz＝A+Bln(V2+C)，而金属厚度D影响系数A,B,C的值，则拟合后的A、B、C数值如表3所示；
表3、线性拟合参数。
D A B C
12 -62.9407 6.63549 503.8977
14 -60.7803 6.1997 1442.24
16 -58.0477 5.80049 1836.805
18 -59.6738 5.85594 2779.482
20 -48.2775 4.79135 14.66328
22 -56.0694 5.42578 983.8171
24 -47.8176 4.63321 -1204.74
26 -55.0066 5.22006 3423.464
28 -54.1732 5.12224 3059.948
30 -47.5354 4.4782 1553.592
32 -58.1005 5.40536 1658.216
34 -30.7588 2.89232 -738.585
36 -23.0367 2.16808 -1482.77
40 -46.9086 -4.31578 1854.818
42 -47.4169 -4.33456 1808.649
表3所示并不是很有规律。无法对系数A、B、C与金属厚度D进行拟合。
(2)对电压V与辐射值进行拟合，发现在电压较高时，电压与辐射值呈现二次函数关系，但在电压较低时，辐射值变化不明显，设辐射值为I，函数关系为：I＝A+BV+CV2，猜想厚度d仅影响系数B与C，A为环境因子，其大小在45±5左右。对不同的金属厚度D，系数B、C的拟合结果如表4所示；
表4、线性拟合参数。
D B C
12 -0.80304 0.00418
14 -0.75556 0.00335
16 -0.69576 0.00279
18 -0.69127 0.0025
20 -0.65106 0.00229
22 -0.62685 0.00201
24 -0.67133 0.00203
26 -0.56438 0.00169
28 -0.5345 0.00155
30 -0.50394 0.0014
32 -0.2803 0.00115
34 -0.40914 0.00107
36 -0.38557 0.00101
40 -0.39216 0.00096
42 -0.3308 0.00079
将金属厚度D作为自变量，B、C的值作为因变量进行作图，发现金属厚度D与系数B呈线性关系，而金属厚度D与系数C呈指数函数关系，因此，设B＝a+b*d，C＝a*exp(-d/b)+c，分别进行拟合，得到系数B、C的函数表达式为：B＝-0.973+0.0158d；C＝0.01exp(-d/11)+6.62，其曲线分别如图8和图9所示。
所以，最终拟合结合如式(8)所示；
I＝A+(-0.973+0.0158D)V+(0.01exp(-D/11)+6.62)V2 (8)
式(8)中，I表示射线剂量探测仪输出的剂量率，A为拟合系数，D为金属厚度，V表示X射线机的激发管电压。以上的数据处理是借助与origin专用软件完成，该模型可直接反应一定厚度的铜绕组在一定电压下的剂量率，有助于直接判断绕组材质。但是所建模型由于包含数据范围较大，特别是厚度的变化是12-42mm，因此模型存在一定的偏差。因此，本实施例同时采用了MATLAB对18-32mm铜绕组的数据进行了建模。为减小偏差，建模中选取厚度为定量，以便确立激光管电压V与剂量率I的直接关系，利用MATLAB进行拟合得到的不同厚度的多项式及其函数图像，即可得到式(3)所示函数表达式。
本实施例中，步骤9)判定干式变压器绕组材质为铝之前还包括根据式(4)进行复核的步骤，如果复核不通过，则跳转执行步骤3)；如果复核通过，才判定干式变压器绕组材质为铝；
式(4)中，H18表示18mm的材质厚度，H22表示22mm的材质厚度，H26表示26mm的材质厚度，H30表示30mm的材质厚度，H34表示34mm的材质厚度，H38表示38mm的材质厚度，I表示射线剂量探测仪输出的剂量率，V表示X射线机的激发管电压。
式(4)所示函数表达式的推导过程如下：
铝绕组的厚度—过饱和电压的关系曲线与铜绕组的存在明显差别，如前式(1)所示。具体试验中，可在剂量率测试仪达到9.99Gy/h后，将所测干式变压器绕组代入上述式(1)，计算出管电压值与实际管电压值进行比较，由于两公式相差较大，因此可判断与铜相近则为铜绕组，与铝相近则为铝绕组。上述两经验公式在检测过程中具有重要意义，是判断铜铝绕组材质的重要条件。同时有两者公式的斜率比值为5.56/1.626＝3.42，该值与铜铝的吸收系数比值也较接近，也侧面证明了该方法的有效性。
不同厚度铝绕组与铜绕组的剂量率变化规律差别较大，铝由于衰减系数μ较小，所以在相近的电压下或相近的厚度测得的剂量率差别不如铜明显。同时由于电压较低时，剂量率探测值很小，趋近于0，在电压增高到一定数值后，辐射值与电压呈二次函数关系，同样取辐射值大于0.5的数据进行拟合，拟合公式为：z＝A+BV+CV2，拟合后的曲线如图10所示，拟合后的曲线及不同厚度下系数A、B、C值及其方差如下表5所示：
表5、线性拟合参数。
将金属厚度D作为自变量，系数B、C的值作为因变量进行作图，发现金属厚度D与系数B呈对数关系，而金属厚度D与系数C呈幂函数关系，因此，设B＝ln(a+b*d)，C＝a*db，分别进行拟合，得到系数B、C的表达式为：B＝ln(-0.0653+0.01123*d)；C＝0.6745*d-1.270，其曲线分别如图11和图12所示。所以最终拟合的结果为：
z＝A+ln(-0.0653+0.01123*d)V+0.6745*d-1.270V2 (4-8)
设V0为z达到极小值时V的值，则当V<V0时，z为常数，可认为辐射被完全阻隔。当d足够大时，z的二次项系数将趋于0。上述数据处理是借助与origin专用软件完成，该模型可直接反应一定厚度的铝绕组在一定电压下的剂量率，有助于直接判断绕组材质。但是所建模型由于包含数据范围较大，特别是厚度的变化是12-92mm，因此模型存在一定的偏差。因此，本研究同时采用了MATLAB对绕组厚度最为常见的18-38mm铜绕组的数据进行了建模。为减小偏差，建模中选取厚度为定量，以便确立电压与剂量率的直接关系，利用MATLAB进行拟合得到的不同厚度的多项式及其函数图像，即可得到式(4)所示函数表达式。
如图13所示，本实施例基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别检测装置包括X射线机1和射线剂量探测仪2，X射线机1的射线窗口布置于被测干式变压器的外层高压绕组的指定检测点外侧，射线剂量探测仪2布置于外层高压绕组的指定检测点内侧。本实施例中，X射线机1的射线窗口布置于被测干式变压器的外层高压绕组外侧时，X射线机1透照时射线束中心一般应与干变绕组紧密贴合、垂直指向透照区域，但若由于现场不满足而不能紧密贴合，也可采用其他透照角度，但X射线机1的窗口与干变绕组的距离不应大于200mm。本实施例中，X射线机1采用GE公司ERESCO ME4CONTROL型射线机，开机进入系统后须训机，训机电压不应低于300kV。将射线剂量探测仪2放置于干式变压器外部高压绕组内侧，G-M探测器24应完全放置于绕组后部，且其顶部应低于绕组边缘5～10mm；射线剂量探测仪2不应与任何导电物质接触。
如图13所示，X射线机1的管电压回路上设有电压采集电路11，射线剂量探测仪2包括微处理器21、高频方波调制输出电路22、高压电源23、G-M探测器24、信号采集电路25、放大整形电路26、A/D转换电路27和数据输出模块28，微处理器21的输出端依次通过高频方波调制输出电路22、高压电源23和G-M探测器24的阳极相连，G-M探测器24的阴极依次通过信号采集电路25、放大整形电路26和微处理器21的输入端相连，电压采集电路11通过A/D转换电路27和微处理器21的输入端相连，微处理器21和数据输出模块28相连，G-M探测器24布置于外层高压绕组的指定检测点内侧。
本实施例中，微处理器21采用单片机实现。在工作状态下，微处理器21控制高频方波调制输出电路22输出高频方波，高频方波通过高压电源23向G-M探测器24的阳极输出工作电压(400V)，G-M探测器24的阴极则输出正脉冲。
G-M探测器24又称盖革·弥勒(G-M)计数管，具有灵敏度高、脉冲幅度大、稳定性高、结构大小和形状设计灵活度高、使用方便、成本低廉的优点。本实施例中，G-M探测器24具体选用北京核仪器厂生产的J305T型计数管，J305T型计数管是一个密封的圆柱形玻璃管，内部抽成真空并添加一定量的惰性气体和少量的猝灭气体，中央是一根细金属丝作为阳极，玻璃管内壁涂以导电材料薄膜作为阴极构成的。J3053T型计数管系薄壁卤素计数管，用于探测X射线强度，也可以用来探测硬β射线。J305T型计数管的主要参数如下：1、起始计数电压：小于340V；2、坪区范围：360.440V；3、坪区范围的斜率：小于12.5％/100V；4、工作温度范围：-40℃--60℃；5、Y灵敏度：65CPS/μR.S-1；6、阳极最大工作电压：550V；7、死时间：751ma；8、计数管的计数寿命：5x109C。
本实施例中，信号采集电路25由一个固定阻值的电阻和一个可调电阻串联组成的分压电路，分压电路一端和G-M探测器24的阴极相连、另一端接地，固定阻值的电阻和可调电阻之间的中间接点作为输出端和放大整形电路26相连，通过该可调电阻的设计，能够方便地调节输出脉冲的幅度，为后面放大整形电路26的放大整形提供便利。
直接从J305T型计数管的输出的脉冲信号相对比较微弱，需要通过放大整形电路26对输出的脉冲信号进行处理，经放大整形电路26处理后的脉冲信号可以直接送到微处理器21的引脚进行计算。放大整形电路26主要解决两个问题，一个是把微小的脉、冲信号放大到微处理器21需要的幅度。另一个是把不规则脉冲电信号的形状转变成标准形状的脉冲电信号，通常称为滤波成形，目的是放大有用的信号，滤掉没有用的杂波信号，提高信号的信噪比。
本实施例中，放大整形电路26采用三级管和两个反相器，三级管采用9013三级管，9013三级管的基极通过串接电阻后和信号采集电路25的输出端相连，9013三级管的发射极接地、集电极通过电阻和VCC相连，且通过串联的两个反相器和微处理器21的输入端相连，反相器采用用于对脉冲进行整形的74LSl4芯片，芯片74LSl4是一个六反相器，每个功能电路作为一个反相器，本实施例采用串联的两个反相器，即输出还是正脉冲。
本实施例中，A/D转换电路27用于通过电压采集电路11采集X射线机1的管电压回路上的激发管电压并输出给微处理器21，微处理器21在检测到放大整形电路26输出的剂量率达到9.99Gy/h时，将电压采集电路11采集的电压保存，即可得到过饱和电压。
本实施例中，数据输出模块28采用串口输出模块，此外也可以根据需要采用其他类型的数据输出接口，例如并口、USB口、网络接口、存储接口等。
本实施例中，射线剂量探测仪2布置于射线源屏蔽罩内，且G-M探测器24布置于射线源屏蔽罩外侧，射线源屏蔽罩与干式变压器距离不大于100mm，射线源屏蔽罩用于测试过程中对射线源进行保护，防止散射等问题的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法，其特征在于步骤包括：
1)预先确定铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线、铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线，所述过饱和电压具体是指通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时X射线机的激发管电压；
2)测量被测干式变压器的外层高压绕组的厚度H1，将厚度H1减去被测干式变压器的树脂层厚度以及匝间绝缘层厚度，得到外层高压绕组除去绝缘后的金属厚度D，将金属厚度D分别代入铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线、铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线，分别计算得到铜材质理论过饱和电压VB铜、铝材质理论过饱和电压VB铝；
3)通过X射线机从被测干式变压器的外层高压绕组外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在外层高压绕组内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，记录射线剂量探测仪过饱和时X射线机的激发管电压，得到实测过饱和电压V；
4)将实测过饱和电压V和铜材质理论过饱和电压VB铜、铝材质理论过饱和电压VB铝进行比较，如果实测过饱和电压V大于或等于铜材质理论过饱和电压VB铜，则跳转执行步骤8)；如果实测过饱和电压V小于铜材质理论过饱和电压VB铜且大于铝材质理论过饱和电压VB铝，则跳转执行下一步；如果实测过饱和电压V小于铝材质理论过饱和电压VB铝，则跳转执行步骤9)；
5)判断实测过饱和电压V大于AVB铜是否成立，其中A为预设的大于0且小于1的系数，VB铜表示铜材质理论过饱和电压，如果成立则跳转执行步骤8)；如果不成立，则跳转执行下一步；
6)判断实测过饱和电压V小于BVB铝是否成立，其中B为预设的大于0且小于1的系数，VB铝表示铝材质理论过饱和电压，如果成立则跳转执行步骤9)；如果不成立，则跳转执行下一步；
7)判定干式变压器绕组材质为铜-铝复合，并根据预设的铜铝复合绕组厚度-过饱和电压表分别确定干式变压器绕组材质中铜材质的厚度和铝材质的厚度，所述铜铝复合绕组厚度-过饱和电压表包括指定厚度的铜材质、指定厚度的铝材质及过饱和电压之间的映射关系；
8)判定干式变压器绕组材质为铜，退出；
9)判定干式变压器绕组材质为铝，退出。
2.根据权利要求1所述的基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法，其特征在于，步骤1)中铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线如式(1)所示，铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线如式(2)所示；
VB铜＝5.56H+101 (1)
式(1)中，VB铜表示铜材质厚度H对应的过饱和电压；
VB铝＝1.626H+49.8 (2)
式(2)中，VB铝表示铝材质厚度H对应的过饱和电压。
3.根据权利要求1所述的基于射线剂量的干式变压器绕组材质快速鉴别方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤包括：设置一组不同厚度的铜材质样品作为待测目标，通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时记录X射线机的激发管电压作为过饱和电压，将不同厚度的铜材质样品的过饱和电压进行拟合，从而得到铜材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线；设置一组不同厚度的铝材质样品作为待测目标，通过X射线机从待测目标外侧指定检测点发射X射线，并通过射线剂量探测仪在待测目标内侧位于指定检测点的后侧检测X射线，当射线剂量探测仪过饱和时记录X射线机的激发管电压作为过饱和电压，将不同厚度的铝材质样品的过饱和电压进行拟合，从而得到铝材质厚度和过饱和电压之间的关系曲线。
4.根据权利要求1所述的基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法，其特征在于，步骤3)的详细步骤包括：
3.1)将X射线机固定在被测干式变压器的外层高压绕组外侧指定检测点，在外层高压绕组内侧位于指定检测点的后侧放置射线剂量探测仪；将X射线机开机，在X射线机开机进入系统后进行训机，训机完成后跳转执行下一步；
3.2)设置X射线机的起始激发管电压，当激发管电压上升至设定的起始激发管电压后，以指定电压为间隔逐步提升X射线机的激发管电压，并记录激发管电压和射线剂量探测仪输出的剂量率，当射线剂量探测仪输出的剂量率为9.99Gy/h后，判定射线剂量探测仪过饱和，并将对应的激发管电压作为实测过饱和电压V。
5.根据权利要求1所述的基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法，其特征在于，步骤5)中的系数A为0.75，步骤6)中的系数B为0.10。
6.根据权利要求1所述的基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法，其特征在于，步骤8)判定干式变压器绕组材质为铜之前还包括根据式(3)进行复核的步骤，如果复核不通过，则跳转执行步骤3)；如果复核通过，才判定干式变压器绕组材质为铜；
H 10 : I = 40.2261 - 0.594537 V + 0.00221131 V 2 H 20 : I = 35.5875 - 0.521089 V + 0.00192304 V 2 H 22 : I = 31.5535 - 0.435675 V + 0.00150472 V 2 H 24 : I = 30.2438 - 0.407824 V + 0.00137222 V 2 H 26 : I = 27.1711 - 0.360269 V + 0.00118954 V 2 H 28 : I = 22.6279 - 0.298346 V + 0.000978648 V 2 H 30 : I = 22.0938 - 0.282066 V + 0.000892501 V 2 H 32 : I = 18.4019 - 0.227567 V + 0.000694292 V 2 - - - ( 3 )
式(3)中，H18表示18mm的材质厚度，H20表示20mm的材质厚度，H22表示22mm的材质厚度，H24表示24mm的材质厚度，H26表示26mm的材质厚度，H28表示28mm的材质厚度，H30表示30mm的材质厚度，H32表示32mm的材质厚度，I表示射线剂量探测仪输出的剂量率，V表示X射线机的激发管电压。
7.根据权利要求1所述的基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别方法，其特征在于，步骤9)判定干式变压器绕组材质为铝之前还包括根据式(4)进行复核的步骤，如果复核不通过，则跳转执行步骤3)；如果复核通过，才判定干式变压器绕组材质为铝；
H 18 : I = 39.4328 - 1.47804 V + 0.0138306 V 2 H 22 : I = 24.126 - 0.911577 V + 0.0086195 V 2 H 26 : I = 27.3882 - 0.963489 V + 0.00840264 V 2 H 30 : I = 21.1917 - 0.743019 V + 0.00659043 V 2 H 34 : I = 26.6595 - 0.861994 V + 0.007007 V 2 H 38 : I = 26.5216 - 0.833595 V + 0.00659043 V 2 - - - ( 4 )
式(4)中，H18表示18mm的材质厚度，H22表示22mm的材质厚度，H26表示26mm的材质厚度，H30表示30mm的材质厚度，H34表示34mm的材质厚度，H38表示38mm的材质厚度，I表示射线剂量探测仪输出的剂量率，V表示X射线机的激发管电压。
8.一种基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别检测装置，其特征在于：包括X射线机(1)和射线剂量探测仪(2)，所述X射线机(1)的射线窗口布置于被测干式变压器的外层高压绕组的指定检测点外侧，所述射线剂量探测仪(2)布置于所述外层高压绕组的指定检测点内侧。
9.根据权利要求8所述基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别检测装置，其特征在于：所述X射线机(1)的管电压回路上设有电压采集电路(11)，所述射线剂量探测仪(2)包括微处理器(21)、高频方波调制输出电路(22)、高压电源(23)、G-M探测器(24)、信号采集电路(25)、放大整形电路(26)、A/D转换电路(27)和数据输出模块(28)，所述微处理器(21)的输出端依次通过高频方波调制输出电路(22)、高压电源(23)和G-M探测器(24)的阳极相连，所述G-M探测器(24)的阴极依次通过信号采集电路(25)、放大整形电路(26)和微处理器(21)的输入端相连，所述电压采集电路(11)通过A/D转换电路(27)和微处理器(21)的输入端相连，所述微处理器(21)和数据输出模块(28)相连，所述G-M探测器(24)布置于所述外层高压绕组的指定检测点内侧。
10.根据权利要求8或9所述的基于X射线剂量的干变绕组材质快速鉴别检测装置，其特征在于：所述射线剂量探测仪(2)布置于射线源屏蔽罩内，且所述G-M探测器(24)布置于射线源屏蔽罩的外侧。
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