基于數字射線檢測技術的電纜熔接頭主絕緣缺陷研究

劉三偉，唐勇明，周衛華，段肖力，黃福勇，方超文，邱超

(1.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，長沙 410007；2.國網湖南省電力有限公司懷化供電分公司，懷化 418000；3.國網湖南省電力有限公司湘潭供電分公司，湘潭 411100；4.國網湖南省電力有限公司株洲供電分公司，株洲 412000)

0 引言

近年來，110 kV及以上等級高壓電纜線路規模以每年12%左右的增速不斷提升。受制于電纜長度及施工影響，每隔500 m左右需要制作電纜接頭進行連接，電纜接頭是電纜電氣部分的薄弱環節，故障往往發生在此處[1-2]。傳統的預制式機械接頭存在一些工藝隱患[3-4]:

1)由于緊固件松動，節點腐蝕等原因，機械壓接連接點電阻導電性能隨著時間的增長而改變。機械壓接后若壓坑變形，會引起局部電場畸變，容易造成接頭擊穿的嚴重后果。

2)機械連接的連接點抗拉強度大幅降低。由于電纜線路自身拉力等原因，連接點會成為導線抗拉的薄弱環節，長期受力情況下容易導致連接點松動，影響接頭的電氣連接。

3)電纜接頭的連接點是經受大電流沖擊的薄弱處，連接點本身與導體存在電阻差，大電流通過時，連接點會發熱，熱脹冷縮進一步導致連接點松動。

作為一種與傳統預制式機械接頭存在本質差異的電纜熔接頭技術，接頭制作是在電纜通道現場環境下制作的，受制于通道中的潮氣、粉塵影響，其接頭質量更難以保證。因此，針對高壓電纜熔接頭關鍵制作工藝管控問題，提出采用IDIP-DR數字射線檢測技術來填補電纜熔接接頭現場管控的技術空白。

1 高壓電纜熔接接頭技術

1.1 熔接接頭技術原理

電纜熔接接頭技術是利用活性較強的鋁，在明火引燃藥劑產生高溫瞬間，通過置換反應，將氧化銅中的銅置換出來，反應過程釋放大量的熱量將兩端導體與置換出來的銅熔融在一起，完成兩端導體的熔接，然后逐步恢復電纜各層結構，如圖1所示。

圖1 電纜熔接接頭

1.2 熔接接頭技術特點

對比傳統的預制式機械接頭，高壓電纜熔接接頭在現場應用中，具有以下的特點:

1)接頭處不受瞬間大電流的影響，短路電流侵襲時，熔接接頭焊點熔化速度慢于一般電氣導體，不易受損。

2)抗腐蝕性和整體性強。高溫下的熔接屬于分子間連接，不存在機械應力作用，熔接后接頭處與兩端導體成為一個完整部分，整體性強。

3)熔接點電阻低。采用同種金屬熔接后的連接點與電纜本體兩端導體材質趨于一致，電阻值較小。

對比傳統預制式機械接頭，熔接頭具有一定的優勢，但是由于熔接頭是現場制作的，受制作環境的影響，其施工工藝容易出現問題，目前尚無有效的工藝管控手段。

2 IDIP-DR數字射線檢測技術

利用熔接頭技術恢復導體和主絕緣后，由于主絕緣、導體存在明顯的密度差異，可以利用X射線數字成像技術進行檢測區分。

圖2為檢測裝備原理圖，其中1為X射線機；2為電纜本體；3為便攜式電源模塊；4為平板探測器；5為無線通信組件；6為電纜灰度影像顯示平板電腦；7為電纜灰度影像接收儀；8為專用固定支架；9為X射線機控制系統。

圖2 X射線數字成像基本原理

利用平板探測器接收穿透被檢工件的X射線，再由平板探測器內部晶體電路根據X射線劑量強度將其轉化為電流信號，最終以數字圖像的形式呈現在終端計算機上[5]。

由于該DR設備的灰度級數達到了16 bit(65 536灰階)，且缺陷處與周圍圖像相差灰階較小，所以原圖中人眼無法清晰判別缺陷，如圖3(a)所示。

將灰度影像的灰度值范圍壓縮至人眼能夠識別的灰度范圍內，去掉影像中的冗余成分，使影像灰度值更集中于人眼的識別范圍內。采用基于壓縮感知原理對圖像實施稀疏變換和投影測量[6-7]。

對圖像進行稀疏和重構處理。圖像經過深度處理后[8]，缺陷處與周圍圖像相差灰階增大，可以清晰識別，如圖3(b)所示。

圖3 電纜X射線影像

3 應用案例分析

對某市110 kV高壓電纜熔接頭制作現場進行檢測應用，如圖4—7所示。在電纜完成主絕緣恢復后，進行了IDIP-DR檢測。圖4和圖6是檢測原圖，由于沒有經過圖像深度處理，人眼無法直接識別出缺陷；經過深度處理后，主絕緣左、右兩側界面的氣泡被清晰地顯示出來，如圖5、7所示。

圖4 熔接頭右側檢測原圖

圖5 熔接頭右側檢測處理圖

圖6 熔接頭左側檢測原圖

圖7 熔接頭左側檢測處理圖

為了進一步驗證檢測結果的準確性，對上述檢測點進行位置標定后，采用平行于軸向的斷面切割來進行解剖。如圖8—9所示，解剖后的電纜主絕緣存在直徑0.5～2.6 mm的不同尺寸的微小氣泡缺陷。

圖8 橫向切割解剖后電纜實物圖

圖9 橫向切割解剖后電纜切片

氣泡產生原因分析:對于超高壓交聯電纜的生產，其管道內氮氣壓力要求不低于1.2 MPa，維持這么高的壓力，主要是縮小絕緣層中的微孔數量和微孔直徑，降低局部放電值；交聯管道溫度和氮氣壓力要相匹配，若管道溫度高、氮氣壓力低，就會產生微氣孔和明顯的氣泡[9]。在XLPE交聯過程中模具內部的壓力和溫度對絕緣層內部微孔的數量和大小有直接影響[10]。在制作現場主絕緣交聯過程中，由于發電機供電不穩定導致停電15 min，導致磨具內的壓力和溫度沒有滿足交聯條件，導致上述氣泡缺陷。

4 結語

本文利用IDIP-DR數字射線檢測技術，對高壓電纜熔接頭關鍵制作工藝進行檢測，有效檢測出主絕緣存在氣泡施工工藝問題，通過現場解剖，證明檢測結果的準確性，為開展熔接頭制作工藝管控提供一種有效的手段，為高壓電纜熔接頭技術在工程應用中提供一種新的管控方法，并且在恢復主絕緣過程中，必須保證全程供電和供壓可靠，否則容易出現類似缺陷問題。