220 kV 電纜緩沖層燒蝕缺陷射線檢測方法

馮超， 李偉， 曹先慧， 謝億， 劉三偉， 黃蓉， 張軍

(1. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007；2. 國網湖南省電力有限公司衡陽供電公司， 湖南 衡陽421000；3. 湖南省湘電試驗研究院有限公司， 湖南 長沙410004)

0 引言

高壓電纜具有占地少、 對城市交通及建設影響小、 隱蔽美觀等優點, 在城市輸電線路中得到廣泛應用[1-2]。 近年來, 電纜擊穿、 燒蝕故障頻發[3-7],打破了行業以往認為地下電纜具有可靠性高、 免維護等優點的認知。 多起高壓電纜鋁護套、 緩沖層、絕緣屏蔽層中出現大量白色粉末和燒蝕痕跡( 以下稱緩沖層缺陷), 引發電纜絕緣擊穿故障[8-10],甚至造成停電事故, 嚴重影響電力系統的供電可靠性。 因此, 快速、 有效的缺陷檢測方法是電力電纜中的重要研究內容。 已有研究表明, 局部放電檢測等現有電力設備常用檢測技術尚無法有效檢出緩沖層缺陷[11-13], 而X 射線數字成像技術[14-15]可以有效、 直觀地對耐張線夾等結構內部開展缺陷檢查。

本文將從緩沖層缺陷識別機理、 分辨率影響因素以及實驗室檢測等方面來論證緩沖層缺陷X 射線數字成像檢測的可行性, 并首次開展220 kV 電纜緩沖層帶電射線檢測, 為高壓電纜緩沖層缺陷射線檢測提供參考。

1 緩沖層射線檢測機理

1.1 緩沖層缺陷射線識別機理

典型的高壓電纜截面如圖1 所示, 從圖中可以看到緩沖層介于絕緣屏蔽層與金屬外護套之間。 通常的交聯聚乙烯絕緣電力電纜緩沖層多采用半導電聚酯非織造布阻水布, 繞包緩沖層內填充阻水粉的形式構成緩沖阻水層。 緩沖層發揮的主要作用是在運行中緩解側向壓力對主絕緣的擠壓和補償絕緣熱膨脹, 依托其半導電屬性提供徑向電流通道, 并起到縱向阻水的作用。

圖1 典型的高壓電纜截面照片

射線檢測時, X 射線穿過物體會與逐層物質之間發生相互作用, 因吸收和散射, 其強度發生衰減。 強度衰減程度取決于相應物質的衰減系數(與密度有關) 和射線在物質中的穿透厚度。 緩沖層是采用聚酯纖維編織布(ρ＝1. 2 ～1. 37 g / cm3)與遇水可膨脹的聚丙烯酸酯(ρ＝0. 95 g / cm3) 復合而成。 而緩沖層燒蝕缺陷產物主要為碳酸鈉或碳酸氫 鈉 (ρ＝2. 532 g / cm3) 以 及 氧 化 鋁 (ρ＝3. 7 g / cm3)。 由于緩沖層和與其相鄰的鋁護套以及外屏蔽層存在明顯的密度差異, 因而經圖像分析處理后, 緩沖層結構特征可以被清晰地表征出來。 而緩沖層存在缺陷, 燒蝕缺陷產物與緩沖層本體的衰減系數不一致, 成像圖像上就會出現明顯的黑度差異, 即為對比度。 通過對比度差異的體現, 即實現了緩沖層缺陷的識別。

1.2 成像質量影響因素

1) X 射線能量

射線檢測的靈敏度主要取決于工件對比度和成像板的靈敏度。 其中成像板的靈敏度由檢測系統自身決定且不易改變； 工件對比度是射線通過工件兩個不同區域后射線強度的比率, 主要是由材料的吸收系數、 缺陷深度及管電壓決定, 三個因素中, 材料吸收系數、 缺陷深度都不可變, 僅管電壓可改變。 如果管電壓過低, 射線穿透能量不夠, 到達成像板的射線能量過小, 無法保證成像質量； 反之,隨著管電壓的升高, 衰減系數減小, 對比度降低,固有不清晰度增大, 成像靈敏度下降。 因此, 在保證穿透力的前提下, 應選擇能量較低的X 射線。

2) 焦距

焦距是X 射線源到成像板之間的直線距離。焦距對X 射線檢測時圖像的幾何不清晰度、 曝光量大小等參數的選擇均有很大的影響。

焦距的大小選擇首先要考慮焦距對幾何不清晰度的影響。 NB / T 47013—2015 《 承壓設備無損檢測 第3 部分超聲檢測》 中, 規定了f與d、b的關系, 見表1。

表1 射線檢測推薦等級表

標準規定在設備進行安裝、 運行時, 一般選擇AB 級標準； 對于內部結構復雜, 且內部結構相對于成像板比較大的選擇B 級標準。 同時, 對于結構性缺陷檢測, 檢測圖像幾何不清晰度不宜大于2 mm。

式中,Ug為幾何不清晰度, mm；d為X 射線管有效焦點尺寸, mm。

通常的實際檢測中采用的焦距應大于或等于最小焦距值, 且焦距增大, 檢測范圍增大, 這樣可以得到較大的有效檢測長度, 圖像清晰度也進一步提高。

3) 曝光量

曝光量是X 射線源發出的射線強度E與照射時間t的乘積, 也等于管電流i與透照時間t的乘積。 曝光量是X 射線透照檢測的一個重要參數,它直接影響圖像的黑度, 兩者在一定范圍內成線性關系。 通過調節曝光量可以調整圖像的質量。 同時, 曝光量還影響著圖像的對比度、 顆粒度、 信噪比及靈敏度。

2 實驗室檢測

2.1 缺陷射線檢測

對曾發生故障的某220 kV 電纜進行射線檢測,并調節管電壓、 管電流、 焦距和曝光時間等檢測參數來提高成像質量。 通過實驗對比, 發現當管電壓設置為80 kV, 管電流設置為0. 5 mA, 焦距為400 mm, 曝光時間為17 s 時, 對于220 kV 電纜射線檢測能獲得最佳的成像質量。 圖2 為異常點射線檢測成像圖, 圖2 (a) 為旋轉電纜從不同角度透照時所檢測到的電纜內部結構圖, 各圖中均可以觀察到電纜緩沖層存在異常點, 并且從圖2 (b) 中發現在鋁護套底部有散落的部分緩沖層燒蝕產物。而異物從影像學上分析, 明顯區別于其他幾個位置的形態特征, 其分布具有高度的規律性, 呈對稱分布, 襯度相較其他點更為明亮, 說明其密度更大,對X 射線的衰減系數越大, 即物質元素原子序數更大。

圖2 異常點射線檢測成像圖

2.2 缺陷識別

對完成射線檢測的故障電纜抽出其緩沖層包裹的內部結構進行宏觀檢查驗證, 可清晰地看到緩沖層表面離散分布著大量白點, 而且正上方有白色燒蝕孔洞, 如圖3 所示。

通過和射線檢測圖像對比可知, 緩沖層缺陷1—3分別對應異常點1—3, 且均具有緩沖層燒蝕缺陷的典型特征, 而異常點4 對應位置并未發現緩沖層缺陷, 進一步剖開鋁護套檢視, 該異常點為鋁護套內部波谷處散落的鋁屑, 確認為金屬異物混入。

圖3 故障電纜緩沖層外觀

2.3 燒蝕產物研究分析

對靠近絕緣屏蔽層的白色緩沖層燒蝕產物采樣進行化學成分分析, 發現其主要元素為Na、 C、O, 詳細數據見表2。

表2 白色燒蝕產物成分分析 %

為進一步分析白色燒蝕產物的組成, 對其進行了X 射線衍射檢測分析化合物的晶體結構, 實驗結果如圖4 所示。 白色燒蝕產物為典型的NaHCO3晶體結構, 主要譜峰均與標準卡片一一對應。

圖4 白色燒蝕產物晶體結構

3 現場應用

3.1 現場檢測布置

對運行中的220 kV 桂和Ⅰ回電纜進行帶電X射線檢測, 其布置如圖5 所示。 由于電纜是三相并列排布, 檢測時布機位置和檢測角度受到了較大的限制。 為了盡可能提高缺陷檢出率, 采用同相電纜相互垂直透照兩次的方式。

圖5 電纜射線檢測布置

3.2 射線抽檢方案

對在運220 kV 桂和Ⅰ回電纜的檢測工作在南側隧道內完成。 南側隧道內桂和Ⅰ回電纜全長約3. 1 km, 含6 個中間接頭, 以兩個中間接頭為一段, 共6 段, 標記為Ⅰ段、 Ⅱ段、 Ⅲ段……。 本次檢測采用抽檢方式, 每一處對A、 B、 C 三相檢測,檢測一處包含3 個檢測點, 分別以0°和90°方向透射檢測, 由于條件限制, 對部分檢測點只拍攝一個角度。

3.3 檢測結果

對在運的220 kV 桂和Ⅰ回電纜共抽檢29 個點, 未發現異常點。

4 結論與建議

4.1 結論

研究電纜的射線檢測機理、 成像影響因素、 檢測參數, 并分析緩沖層缺陷影響特征和缺陷產物成分以及開展現場帶電電纜抽檢。

1) 利用X 射線在不同物質中的衰減系數不一致這一特性, 可以對電纜緩沖層燒蝕缺陷和內部結構進行無損檢測。

2) 通過分析電纜緩沖層燒蝕缺陷的影像學特征和位置分布規律, 可以實現緩沖層燒蝕缺陷的精準識別, 并能夠對異物和偽缺陷進行辨別。

3) 220 kV 桂和Ⅰ回電纜共完成29 點檢測,未發現缺陷點或異常點。 初步判斷, 被檢測的桂和Ⅰ回的Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ區段電纜無緩沖層缺陷或缺陷尚處于萌生早期, 暫無法被檢出。

4.2 運維建議

1) 射線檢測技術可以有效檢測電纜緩沖層缺陷, 建議在竣工驗收、 運維巡檢等階段推廣使用。

2) 在緩沖層缺陷射線檢測基礎上, 應結合有關線路歷史運維記錄以及局部放電檢測的判別結果來針對性開展線路本體缺陷的消隱消缺工作。

3) 利用射線檢測技術, 采集大量電纜緩沖層缺陷檢測樣本, 形成緩沖層缺陷對電纜運行狀態判定標準, 將電纜緩沖層缺陷作為電纜本體的狀態量描述, 納入電纜設備定期評價狀態量, 指導電纜檢修工作。