高壓電纜緩沖層缺陷數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究

劉三偉，段肖力，黎剛，謝億，黃福勇

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

0 引言

隨著城市化的不斷推進(jìn), 城市電網(wǎng)電纜化率持續(xù)攀升, 電纜設(shè)備規(guī)模快速增長(zhǎng)。據(jù)悉, 國(guó)家電網(wǎng)有限公司110 kV 及以上電壓等級(jí)電纜規(guī)模每年以超過(guò) 10% 的速度增長(zhǎng), 截至目前, 規(guī)模已達(dá)9.4 萬(wàn) km。

在運(yùn)電纜由于帶缺陷運(yùn)行經(jīng)常引起電纜擊穿等事故, 電纜缺陷給電纜安全運(yùn)維工作帶來(lái)了很大的安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。當(dāng)電纜發(fā)生故障, 一般采用電橋法[3]或者脈沖法[4-5]對(duì)電纜故障進(jìn)行初步查找后,可以初步確定故障的范圍；為精確進(jìn)一步確定故障點(diǎn)的位置, 還需要運(yùn)維人員采用其他設(shè)備進(jìn)行故障點(diǎn)的精確定位[6-7]。目前, 精確定位的方式有電纜短路速查法、聲磁同步法和跨步電壓法[8-11]。

以上電纜故障的查找方法都是針對(duì)電纜故障已經(jīng)發(fā)生的故障點(diǎn)精準(zhǔn)定位, 目前還缺乏有效的電纜故障隱患在線檢測(cè)方法。

及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)電纜缺陷, 采取合理的措施對(duì)缺陷進(jìn)行治理, 是保障電纜安全運(yùn)維的重要工作。因此, 針對(duì)電纜緩沖層隱患在線檢測(cè)問(wèn)題, 提出采用數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)分析方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電纜緩沖層缺陷無(wú)損檢測(cè)。

1 數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1.1 數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)原理

X 射線成像基本原理如圖1 所示。不同能量的X 射線穿透被檢物質(zhì)的能力也不同。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明, 窄束、單能X 射線透過(guò)一層均勻厚度的物質(zhì)時(shí), 射線強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減, 入射強(qiáng)度隨穿透物體的厚度增加而衰減, 即:

式中,I0為入射射線束的強(qiáng)度；I為透射物質(zhì)后射線束的強(qiáng)度；x為物質(zhì)的厚度；ρ為線衰減系數(shù),cm-1；μ表示單位時(shí)間內(nèi)X 射線通過(guò)單位長(zhǎng)度物質(zhì)的衰減指數(shù)。

圖1 X 射線成像基本原理

1.2 數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)在電纜缺陷檢測(cè)工作中,具有以下的應(yīng)用優(yōu)勢(shì):

1) 在線無(wú)損檢測(cè)。利用數(shù)字X 射線檢測(cè)技術(shù), 可以實(shí)時(shí)對(duì)電纜故障隱患進(jìn)行檢測(cè)排查, 不需要停電, 對(duì)電纜運(yùn)行無(wú)影響。

2) 可靠性高。數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是非電氣方法的檢測(cè), 利用數(shù)字X 射線強(qiáng)大的穿透力,在物質(zhì)檢測(cè)中, 可以通過(guò)檢測(cè)結(jié)果灰度值的不同將電纜導(dǎo)體、電纜絕緣、電纜護(hù)套和電纜隱患點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分, 從而準(zhǔn)確快速分辨出故障隱患點(diǎn)[12]。

3) 操作簡(jiǎn)便。現(xiàn)有的X 射線無(wú)損檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)做到了小型化、便捷化[13], 可以方便地將設(shè)備帶到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)作業(yè), 操作原理簡(jiǎn)單, 運(yùn)維人員很容易掌握使用方法, 現(xiàn)場(chǎng)使用十分方便[14]。

4) 應(yīng)用范圍廣。采用X 射線無(wú)損檢測(cè), 可以方便地對(duì)各電壓等級(jí)、各種故障類型下的電纜故障隱患點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè), 具有廣泛的適用性[15]。

1.3 數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵

電壓直接決定X 射線的穿透力, 電壓越高, X射線的質(zhì)越硬, 在電纜中的衰減系數(shù)越小, 穿透的厚度也就越大, 但是從射線成像的靈敏度考慮, 在保證穿透力的前提下, X 射線的能量越低, 其對(duì)比度越高, 靈敏度越高。

特別，若ai=0,bi=+∞，則C={x∈Rn:xi≥0}。對(duì)?u∈Rn，PC(u)=(max(xi,0))i。

由于不同電壓等級(jí)的電纜結(jié)構(gòu)上的差異, 在使用X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)時(shí), 選取合適的管電壓、管電流參數(shù)是獲得高質(zhì)量檢測(cè)圖像的關(guān)鍵。選取某110 kV 變電站內(nèi)110 kV 電纜終端為對(duì)象進(jìn)行系列試驗(yàn), 參照 《電氣設(shè)備X 射線數(shù)字成像檢測(cè)與診斷》 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 以電壓參數(shù)為例, 試驗(yàn)電壓從90 kV 至 140 kV 增加, 每 10 kV 作一次試驗(yàn), 管電流恒定為3 mA, 焦距恒定為1.3 m。

圖2 給出了不同電壓條件下該110 kV 電纜接頭內(nèi)銅導(dǎo)體的成像圖, 結(jié)果表明, 110 kV電壓試驗(yàn)條件下的對(duì)比度最高。

圖2 不同電壓試驗(yàn)條件下銅導(dǎo)體的成像圖

2 故障案例分析

2.1 電纜故障情況介紹

2020 年 3 月 19 日, 某 110 kV 電纜線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘, 故障相為B 相, 故障電流51.599 A,TA 變比600/5, 保護(hù)測(cè)距0.258 km, 無(wú)負(fù)荷損失。

故障巡視發(fā)現(xiàn)距離220 kV 變電站600 m 處電纜B 相本體擊穿, 本體外護(hù)層約1.2 m 有明顯灼燒痕跡, 灼燒中間部位有明顯擊穿小孔, 查找全線其他部位未發(fā)現(xiàn)異常, 如圖3、4 所示。

圖3 電纜護(hù)層絕緣灼燒痕跡

圖4 電纜本體擊穿點(diǎn)

通過(guò)對(duì)護(hù)套的檢查, 發(fā)現(xiàn)燒損部位均集中在鋁護(hù)套波谷位置, 呈明顯非圓周性燒損, 如圖 5所示。

故障分析表明, 該次故障原因?yàn)殡娎|外半導(dǎo)電層與金屬護(hù)套的間隙過(guò)大, 鋁護(hù)套對(duì)外半導(dǎo)電層放電, 造成外半導(dǎo)電層和主絕緣表面被灼傷, 半導(dǎo)電層產(chǎn)生貫穿性損傷, 帶隱患運(yùn)行后導(dǎo)致主絕緣發(fā)生擊穿, 引起線路跳閘。

2.2 電纜故障隱患特征分析

為了深入分析故障的原因, 對(duì)故障處電纜進(jìn)行了解剖, 發(fā)現(xiàn)該故障電纜本體絕緣外屏蔽層、緩沖層、金屬護(hù)層有不連續(xù)的白色燒蝕痕跡, 部分燒蝕痕跡已接近貫穿損傷外屏蔽層, 如圖6、7 所示。

圖6 半導(dǎo)電緩沖帶隱患點(diǎn)

圖7 半導(dǎo)電層隱患點(diǎn)

2.3 電纜故障隱患X 射線檢測(cè)分析

針對(duì)本次電纜故障, 將隱患點(diǎn)所在電纜截段取樣, 采用X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)隱患點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)分析。

表1 電纜故障隱患X 射線檢測(cè)參數(shù)

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 入射X 光射線與電纜缺陷所在切面的相對(duì)角度也是影響檢測(cè)結(jié)果的重要參數(shù)。從不同角度入射的檢測(cè)結(jié)果, 如圖8 所示。

圖8 不同入射角度X 射線檢測(cè)圖像

圖8 是電纜纜芯的X 射線檢測(cè)圖像, 中間白色發(fā)亮的部分 (灰度值較低) 為電纜導(dǎo)體, 外圈較白部分為電纜主絕緣 (灰度值較高), 故障隱患點(diǎn)在主絕緣的下端部分。電纜導(dǎo)體是銅質(zhì)金屬, 對(duì)X 射線吸收能力最強(qiáng), 在平板探測(cè)器上顯示的灰度值最低；電纜主絕緣是交聯(lián)聚乙烯, 對(duì)X 射線吸收能力最低, 平板探測(cè)器上顯示的灰度值最高；隱患點(diǎn)處由于化學(xué)等原因的腐蝕后產(chǎn)生的粉末中含少量金屬, 對(duì)X 射線吸收能力在導(dǎo)體和絕緣之間。因此, X 射線檢測(cè)后能清晰地區(qū)分、電纜導(dǎo)體、主絕緣與隱患點(diǎn)。試驗(yàn)表明, 從45°角入射可以獲得較為清晰的分辨效果。

為還原電纜真實(shí)結(jié)構(gòu), 將鋁護(hù)套嵌套于電纜纜芯外部, 如圖9 所示。

圖9 故障電纜X 射線檢測(cè)圖像

由圖9 可知, 電纜鋁護(hù)套可以在檢測(cè)圖中清楚地辨別。一方面, 雖然鋁護(hù)套的存在對(duì)隱患點(diǎn)的檢測(cè)具有較強(qiáng)的干擾作用, 但是依舊可以通過(guò)設(shè)置合理的曝光參數(shù), 對(duì)故障隱患點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。另一方面, 受試驗(yàn)所用設(shè)備性能限制, 未能得到更清晰的檢測(cè)結(jié)果, 不過(guò)可以通過(guò)改善數(shù)字X 射線設(shè)備性能來(lái)彌補(bǔ), 如采用分辨率更高的平板探測(cè)器, 可以提高檢測(cè)結(jié)果的清晰度和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn), 針對(duì)110 kV 電纜故障案例, 利用數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)電纜缺陷進(jìn)行了檢測(cè)和分析, 得到了以下結(jié)論:

1) 數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜故障隱患點(diǎn)的檢測(cè)和排查；

2) 數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)必須設(shè)置合理的管電壓、管電流、曝光時(shí)間等參數(shù), 才能取得較好的檢測(cè)效果；

3) 入射X 光射線與電纜缺陷所在切面的相對(duì)角度也是影響檢測(cè)結(jié)果的重要參數(shù), 在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中, 需要多角度調(diào)整拍攝方向, 實(shí)現(xiàn)對(duì)故障隱患點(diǎn)的檢測(cè)和排查；

4) 電纜鋁護(hù)套對(duì)隱患點(diǎn)檢測(cè)識(shí)別具有一定的干擾作用, 可以通過(guò)改善數(shù)字X 射線設(shè)備性能,如采用分辨率更高的平板探測(cè)器, 提高檢測(cè)結(jié)果的清晰度和準(zhǔn)確性。

數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在多行業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用, 具有良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。將X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在電纜隱患檢測(cè)排查工作中, 可以填補(bǔ)電纜隱患無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的空白。試驗(yàn)表明, 采用數(shù)字X 射線無(wú)損檢測(cè)方法能夠有效地對(duì)電纜缺陷進(jìn)行識(shí)別檢測(cè), 因此推薦將X 射線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于電纜缺陷的快速精準(zhǔn)查找和定位。