X射線成像技術在電纜及附件缺陷探測方面的應用

原佳亮，陳佳，王驍迪

（國網上海市電力公司電纜分公司，上海 200072）

隨著電力行業的發展，電力電纜越來越多地運用到生產生活的各個領域，用電部門對電力系統的供電可靠性提出了更高的要求，一旦發生供電故障，將會造成巨大的損失，而高壓電力電纜作為城市輸電的主力軍，其日常運行狀態也直接關系到電力系統的供電可靠性。

目前，國內市場電纜及附件廠家眾多，其電纜結構、生產工藝及安裝工藝繁雜，為電纜質量帶來了較大隱患。

上海高壓電纜運行狀態檢測主要采用定期停電檢修、帶電檢測、在線監測等手段。

隨著城市電纜化率的提升，定期檢修的試驗方式存在著一定的缺陷，除了需要停電進行試驗外，還會消耗大量的人力和物力，并且容易存在漏檢及檢修過于頻繁的情況。同時，由于電力電纜在正常環境中的使用壽命預計為20～30年，隨著運行時間的增加，如今部分電纜及其附件已進入預期壽命的 中老年期，增加了電纜的故障的潛在危險和狀態檢修的頻繁性。

帶點檢測及在線監測手段主要有紅外測溫及局部放電檢測等。

一方面，紅外測溫能夠在設備不停電的情況下發現電纜及附件的異常發熱點，但其精度和可靠性往往容易受大氣、測試背景、物體輻射率、距離系數、相鄰設備熱輻射、工作波長區域范圍及瞬時視場角等的影響，而且目前的紅外測溫儀器只能根據設備現場的運行情況作出測試判斷，無法實現動態監測，更不能實現對未來設備運行狀態的預警；另一方面紅外測溫的準確性還嚴重依賴于巡檢人員現場的經驗及現場判斷。

局部放電檢測手段作為高壓電纜及其附件絕緣狀況的檢測手段，一方面，某些缺陷并不一定存在局部放電情況；另一方面，該種檢測手段容易受到環境干擾的影響較大，而干擾信號的分辨，不僅涉及信號頻譜，還依賴于操作者的經驗，尤其在線局放監測困難更大。

另外，某些運行狀態良好的電纜可能存在家族性缺陷。

針對上述問題，本文提出可以采用X射線成像檢測技術，并將其作為帶電檢測、在線監測及某些可能存在家族性缺陷電纜的輔助檢測手段，用以確診電纜缺陷。

X射線數字成像檢測技術能在電纜不解體的情況下，對電纜內部結構進行成像檢測，能夠直觀地發現電纜內部缺陷情況，包括電纜內部的氣孔、雜質等缺陷，目前，該技術已在部分電力系統設備檢測中取得了應用成果。

本文以高壓交聯聚乙烯絕緣電纜為例，首先，對完好電纜的結構進行介紹，并與X射線成像結果進行對比分析，驗證該技術還原電纜內部結構的準確程度，最后，通過實例說明X射線成像檢測技術在電纜缺陷探測方面的應用可行性。

1 高壓交聯聚乙烯電力電纜X射線成像原理及效果

X射線與自然光并沒有本質的區別，都屬于電磁波，只是X射線的光量子的能量遠大于可見光，它能夠穿透可見光不能穿透的物體，X射線在穿透不同的物體時與物質發生相互作用，因吸收和散射而強度變化，我們采用感光材料該強度變化信號后，經信號處理形成我們常見的影像。

對于物體局部存在的缺陷，X射線將改變物體對其的衰減，引起透射射線強度的變化，這樣，采用一定的檢測方法，如利用膠片感光或者平板探測器，來檢測透射線強度，就可以判斷是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小等。X射線成像原理如圖1所示。

圖1 X射線成像原理

高壓交聯聚乙烯電力電纜是一種多層疊加的環狀結構，相對較為規則，且每層材料各異。因此，當X射線徑向通過電纜時，由于各層對射線的衰減能力以及透照厚度均存在差異，造成其在底片上性能灰度不一的影像。

檢測時，射線源與探測器安裝在活動支架上，移動到檢測的設備對象上，射線源的射線口要對準探測器，探測器將穿過高壓電纜設備的射線場強轉換為電信號，輸入計算機以圖像的形式再現，利用專用圖像處理與判讀軟件，實現不同方位下高壓電纜設備內部結構形態和缺陷的快速透視成像，以及高壓電纜設備結構信息與質量狀態的分析。圖1中拍攝過程中DR板經充分的曝光，可形成豐富的灰度信息，方便采用圖像增強算法對拍攝的X射線原始圖像進行分析，通過對原始圖像進行灰度變換、直方圖修正、Butterworth高通濾波、銳化和邊緣查找等操作，使原始圖像中不易被人眼所察覺的細節顯現出來，供試驗人員分析判斷制定檢修計劃。

以一根完好高壓交聯聚乙烯電力電纜為例，圖2為理想狀態下X射線檢測圖，圖3則為實際X射線成像效果圖。

圖2 高壓交聯聚乙烯電力電纜理想X射線成像圖

圖3 高壓交聯聚乙烯電力電纜實際X射線成像圖

對比上述兩幅圖可以發現，當X射線徑向透過電力電纜時，其成像能夠還原電纜結構，在不剖解電纜的情況下，能夠幫助作業人員有效發現電纜內部缺陷等各類情況。

2 X射線成像技術在高壓電力電纜故障檢測方面的應用

2.1 X射線成像檢測技術在高壓電纜家族性缺陷方面的應用

上海地區在某年一年內連續發現3起電纜故障，經故障解剖分析，3起故障均為同一廠家同一批次電纜制造原因，由電纜金屬護套與電纜外半導電層的長期接觸不良引起放電發熱，最終導致電纜擊穿，為了避免故障再次發生，對該廠家的供貨清單進行核對，發現另外13回與該故障電纜相同緩沖層結構的電纜線路。

針對這一問題進行故障反措，針對上述13回電纜采用X射線成像檢測技術，檢測結果共發現3回與故障電纜相同白斑缺陷。圖4為故障電纜白斑缺陷，圖5為采用X射線成像檢測技術發現電纜缺陷。

圖4 某高壓電纜白斑缺陷

圖5 某高壓電纜家族性缺陷采用X成像檢測技術檢測結果

對比上述兩幅圖可以發現，X射線成像檢測技術對于電纜結構還原程度較高，能夠有效檢測電纜家族性缺陷。

2.2 X射線成像檢測技術作為局放檢測輔助手段方面的應用

上海地區發現某110kV電纜線路的GIS某相終端存在疑似局放信號，為了對該電纜進行缺陷確診，對其進行X射線成像，現場拍攝成像板及射線源位置如圖6所示。

圖6中黃圈標注處從左至右依次為成像板及攝像源。拍攝過程中，射線源采用160kV的管電壓和3mA的管電流，通過對拍攝的X射線原始圖像進行分析，灰度窗寬均在50000以上，說明DR板經過了充分的曝光，保留了豐富的灰度信息；對原始圖像進行灰度變換、直方圖修正、Butterworth高通濾波、銳化，獲得的拍攝圖像可以清楚看到GIS內部結構。圖7即為局部進行成像圖放大。

圖6 某110kV電纜GIS終端X射線成像現場拍攝圖

圖7 某110kV電纜GIS終端X射線成像局部放大圖

對照高壓電力電纜結構圖分析可以發現，該110kV電纜線路GIS終端內部金屬屏蔽網存在結構不均或殘缺部位。

3 結語

本文首先分析了目前高壓電纜常用的的狀態檢測方法，并針對其不足提出了可以采用X射線成像檢測技術作為高壓電纜帶電檢測、在線監測及電纜家族性缺陷等的輔助檢測手段，通過分析X射線成像原理，并以某完好高壓交聯聚乙烯電力電纜為例，對比分析其理想成像圖及實際成像圖，表明其能夠完全還原電纜內部結構，最后，本文以兩個上海地區應用實例表明X射線成像檢測技術在高壓電纜及附件缺陷探測方面的可行性。