基于X射線透射特性的電纜內部無損探傷技術研究

趙法強，胡 冉，徐啟源，李德斌

（深圳龍崗供電局廣東深圳518172）

長期以來，我國對配電網電力檢修、測試采用的均是直流耐壓方法進行故障鑒定[1-2]。雖然直流耐壓法可以檢測出交、直流電纜中的大部分缺陷，但卻只能作為故障發(fā)生之后的檢測技術，無法完成潛伏隱患的排查以及檢修預防工作。此外，直流耐壓需要在局部進行高壓通電以測試電纜性能，這會對電纜包裹層，尤其是聚乙烯等絕緣物質造成一定的損傷[3]。且每次檢修需要進行大規(guī)模的停電維護及分區(qū)域的耐壓排查，效率在現(xiàn)如今大規(guī)模集成電網環(huán)境下已然不足[4]。因此，急需一種更為輕便、靈敏高效的方法進行電纜探傷。

數(shù)字探傷技術在20世紀60年代初開始萌芽，到80年代，射線數(shù)字圖像處理已得到較為廣泛的應用。后來射線成像技術被嘗試應用到了封閉金屬內部孔隙檢測上，但由于成像質量低，精度不達標而擱置。現(xiàn)如今，計算機圖像處理技術的飛速發(fā)展早已在微小焦點和像素級無損呈像上取得了突破進展。這為數(shù)字射線探傷提供了良好的技術基礎，使該種數(shù)字探傷技術在電纜維護檢修中替代直流耐壓法進行推廣成為可能。

1 X射線透射原理

X射線具備較強的穿透性，照射在物質上，會因為物質元素的種類、物體密度和厚度而產生不同程度的衰減。同時，射線源的能量強度也決定著透射的銳利性[5]。因此，對于密度較大的大體積物體，射線發(fā)生器的功率要求也就越高。透射強度和穿透厚度的關系曲線，如圖1所示。同一物質下射線強度與透過率的關系，如圖2所示。同功率下不同物質中的透過率，如圖3所示。

圖1 透射強度與透射厚度關系

圖2 鋼中透過率與射線能量關系

圖3 能量固定的X射線透過率與物質的關系

由曲線可知X射線對金屬物質透射性能極差，金屬粒子會吸收掉大部分的光波能量進行能級躍遷[6]。而電纜絕緣層主要以交聯(lián)聚乙烯這類的高聚合物為主，對X射線的能量損耗較小。低功率的X射線發(fā)生器即可滿足探傷需求，技術難度和制造成本均得到了有效控制，這也是文中選用X射線進行探測的根本原因。

2 X射線發(fā)生裝置與電纜檢測方法研究

本文采用高壓真空二極管實現(xiàn)X射線發(fā)生，工作過程如下：

1）兩極加載兩千伏以上直流、交流電，對陰極極絲加熱，產生熱電子。

2）熱電子受到電壓產生的極大電場力，在管內高速發(fā)射，擊中陽極的電子靶，碰撞釋放大部分能量轉化為熱能，小部分轉變?yōu)殡姶挪ǎ@部分即為X射線。高壓真空二極管X結構，大致如圖4所示。

圖4 真空二極管結構

2.1 直接攝影檢測法

X射線進行透射檢測的方法主要有3種[7]。最為直接的應用為X射線透射目標后在感光片上呈像得到內部圖像，如圖5所示。

圖5 直接攝影呈像

2.2 間接攝影檢測法

不采用感光片，而是用熒光板收集投射出來的X射線，在暗室或者暗箱中進行可視化處理，然后用裝入感光片的相機間接拍攝呈像。這種方法稱為間接攝影檢測法，裝置如圖6所示。

圖6 間接攝影呈像

2.3 透視檢測法

用解析度較高的熒光板對透射的X射線進行收集處理，轉化為可視像，經倍增管和雙孔方法之后將細節(jié)精度提高到肉眼可捕捉的程度。這種方法比直接法、間接法呈像圖像質量更高，顆粒損失較小，圖片整體亮度更強，且無需再暗室觀察。裝置如圖7所示。

圖7 透視法呈像

對比以上3種方法可知：直接法感光解析度高，可以應用在較厚的樣本上，如輕質金屬或塑料。第二種方式解析度差，操作復雜，不推薦使用。透視法則可以應用在大批量產品的流水檢測，解析度稍低，但檢測速率較高。

3 X射線電纜無損探傷

3.1 X射線發(fā)生器選型

基于以上3種X射線發(fā)生方法特性，結合電纜檢修的實際環(huán)境需求，選用輕便、小型的自整流X射線發(fā)生裝置[8]。技術參數(shù)為：功率0.5 kVA、5 mA電流、穿透率為（鋼5.3 mm，純鋁65 mm）最高管壓降100 kV。另外，考慮到實際測試中的復雜情況，除了基本X射線發(fā)生管，發(fā)生裝置內還增了一個方向定位器和長方窗用來定量控制管內電子流焦點和感光片距離以及收束X射線，從而進一步提升探傷呈像的清晰度。

3.2 無損電纜探傷實例分析

為保證技術方案的普適性，實測選用了不同材質型號的電纜。由X射線透射特性在不同材質中的表現(xiàn)不同，文中又分別制定匹配技術方案，進行分組實測。

1）XLPE-1*630 mm2鋁波紋狀護套電纜

RF-100GBS發(fā)生器選用管壓為60 kV，加壓持續(xù)時長為5 s，獲得X射線感光成像的XLPE-1*630 mm2鋁波紋狀護套電纜內部狀況圖像。分析圖像特征可由局部扭曲判斷，電纜芯線駁接不良導致了內部絕緣畸變，從而發(fā)生電纜損傷。

2）110kV/XLPE-1*600 mm2的銅絲屏蔽型電纜

抽樣時發(fā)現(xiàn)電纜表面有明顯凸起，呈現(xiàn)為2 mm塊狀。因表面無破損，且在不確定異常原因時，出于安全考慮不能打開檢查。現(xiàn)用X射線進行異常部位探傷，考慮銅絲屏蔽電纜材質較難穿透，選用95 V電壓，加壓持續(xù)時長為50 s，保證射線全透射進行完整呈像[9]。分析圖像發(fā)現(xiàn)電纜線芯在凸起處有駁接，但駁接口由于工藝原因焊接存在隱患，欠順滑導致芯線擠壓變形致使XLPE絕緣層受阻結塊。進一步再加80 V管壓，持續(xù)5 s透射，對外屏蔽層做精細化透射探傷，發(fā)現(xiàn)銅絲屏蔽層受擠壓出現(xiàn)畸變。綜上，得出結論為電纜制造質量問題，需退回廠家更換。

3）110k/1*500 mm2鋁波紋護套電纜

外部故障表征為PVC外護套松脫，周邊有1/3圓的環(huán)狀凸起，高度約為8 mm，如圖8所示。X射線探傷管壓選用8 kV，加壓持續(xù)時間為6 s，通過感光片對透射呈像，如圖9所示[10]。觀察發(fā)現(xiàn)鋁波紋護套畸變導致凸起，但纜芯尚未因屏蔽層變形擠壓受到損傷，不影響電纜正常供電，無需破開電纜進行修復。

圖8 電纜外套層呈現(xiàn)凸起

圖9 X射線透射呈像

對比以上3組電纜探傷，結果表明：X射線探傷技術對于不同材質電纜的探傷效果顯著，透射呈像還原度極高。且故障分析結果準確，可直接定位纜芯層破損、畸變、短路、阻塞或是絕緣層損傷，從而決定電纜更換與否[11-15]。

4 結束語

文中基于傳統(tǒng)耐壓檢測方法存在局限性的背景現(xiàn)狀，提出了數(shù)字化X射線透射特性下的電纜探傷技術研究。文中從X射線發(fā)生管的工作原理出發(fā)[16]，選用符合電纜檢修環(huán)境的小功率間接投影探傷裝置。并充分考慮到不同材質對X射線的削減特性，在實測中對不同型號電纜分別設定相匹配的參數(shù)來保證呈像的品質。總體而言，X射線無損探傷技術降低了傳統(tǒng)探傷的高昂成本，解決了潛在的安全隱患，大幅提升了電纜檢測、預防與維修的技術水準，擁有良好的技術擴展性，在研究與實際生產領域中均具備極高價值。