高壓電纜附件鉛封缺陷的交流電磁場檢測

劉正存，申德峰，王延東，薛建祥，王明亮

(1.濟寧魯科檢測器材有限公司，濟寧 272000；2.濟寧市特種設備檢驗研究院，濟寧 272000)

封鉛是目前電纜附件安裝中比較常見的封裝手段，主要用于尾管端部與金屬保護套內部電纜之間的連接。雖然封鉛工藝繁瑣，但由于其具有較高的強度及良好的耐老化性能，且密封性能可靠，仍在廣泛使用。

根據統計，目前電纜附件已經成為電纜線路中故障最多發的部件之一，而大部分故障是由產品本身質量不過關或安裝不當導致的[1-2]。

目前電纜鉛封的檢測方法主要有超聲法、X射線法、渦流法等。超聲法受到耦合限制，需要拆除表面保護層進行檢測，多用于電纜安裝前的測試。方春華等[3]利用仿真軟件模擬了鉛封內部氣孔缺陷的回波特征，并利用鉛封缺陷試樣驗證了超聲檢測的可行性。射線檢測方法需從不同方向進行透照，以避免漏檢，但現場工作環境復雜，實際操作困難，且由于線纜內部并非整體，內部存在間隙，存在漏檢、誤報的風險。渦流檢測方法則受制于探頭提離高度，普通渦流檢測設備提離高度只有1～2 mm，無法滿足穿透電纜鉛封5 mm以上保護層的要求。蒲英俊等[4]針對渦流檢測的提離高度問題，對渦流檢測探頭進行了改進，實現了電纜附件的渦流檢測。

交流電磁場檢測(ACFM)技術[5]檢測效率高，精度高，且檢測信號受提離效應的影響比較小，無需對被測件表面做任何處理就能完成檢測[6]，更適用于電纜鉛封的檢測。筆者分析了高壓電纜附件的結構及缺陷，并制作模擬試樣進行試驗，證明了交流電磁場檢測技術對電纜附件鉛封表面開口缺陷的檢測能力。

1 交流電磁場檢測原理

在ACFM技術中，將工件表面磁場分為3個分量：Bx，By，Bz。Bx分量方向與電流方向垂直，并與工件表面平行；By分量方向與電流方向一致；Bz分量方向垂直于工件表面。交流電磁場檢測原理如圖1所示。

圖1 交流電磁場檢測原理示意

根據電磁感應定律，當工件表面沒有缺陷時，交變電流產生的感應磁場均勻且無變化，By和Bz分量為0；當電流經過缺陷時，電流從缺陷兩側和底部偏轉，使通過缺陷處的電流密度減小，產生的磁通密度也相應減小，即Bx分量會在缺陷處出現明顯的波谷。此外，電流會在缺陷兩端產生聚集，使得缺陷兩端磁通密度出現極值，受磁場方向性的影響，Bz分量與原有磁場會存在疊加和抵消的現象，即Bz分量會在缺陷兩端形成波峰和波谷，根據檢測信號即可判定缺陷的存在[7-8]。

2 高壓電纜鉛封的結構及常見缺陷

高壓電纜終端由尾管、鋁護套、鉛封等組成，是輸電線路的重要組成部分。鉛封即采用鉛錫合金封堵尾管端部及鋁護套之間的間隙，在完成電氣連接的同時，實現密封防水的功能。鉛封完成后在外部使用防水包帶和熱縮套進行防護，防護層厚度約為5 mm。高壓電纜鉛封實物如圖2所示。

圖2 高壓電纜鉛封實物

目前發現高壓電纜鉛封缺陷以加工過程中的砂眼、氣孔、內部層疊以及安裝中工藝不到位導致的徑向開裂等為主。缺陷容易導致電氣連接不良，造成跳閘、擊穿等問題，嚴重時還會引起電網停運事故。因此，需要尋找一種可以快速、準確地檢測出電纜鉛封內部缺陷的技術，以保證電網的安全運行。

3 ACFM檢測試驗

3.1 試樣制備

電纜運行過程中，由于外部環境變化，鉛封單側受力，往往會出現頂部開裂缺陷，這也是鉛封缺陷中危害最大的一種。結合頂部開裂缺陷現場案例及ACFM檢測技術要求，設計的試樣上的缺陷信息如表1所示。

表1 試樣上的缺陷信息

3.2 試驗儀器

試驗采用濟寧魯科檢測器材公司生產的LK ACFM-X1型交流電磁場檢測儀(見圖3)，該設備主要由主機、探頭及連接線等組成；可兼容內穿式、外套式、平板型、筆形等多種探頭，并可支持16通道陣列探頭，探頭最大提離高度為10 mm，針對電纜鉛封的變徑情況，可采用特制的弧形單探頭(圓弧直徑為273 mm)，以得到更好的耦合效果。

圖3 LKACFM-X1型交流電磁場檢測儀實物

3.3 檢測及分析

將探頭放置于工件待檢部位，雙手扶持探頭，在工件上進行勻速掃查，掃查速度應盡量不超過 40 mm·s-1，同時盡量避免抖動，檢測完成后記錄相關數據。

試樣1交流電磁場檢測結果如圖4所示，圖4(a)為Bx分量圖，其中橫坐標代表探頭行進時間，縱坐標代表x方向磁場強度分量的電信號大小；圖4(b)為Bz分量圖，橫坐標代表探頭行進時間，縱坐標代表z方向的磁場強度分量電信號大小。由檢測結果可見，Bx及Bz信號均有明顯顯示，波形變化存在明顯的波峰波谷特征，與標準ASME E-2261M-2012 《使用交流電現場測量技術檢查焊縫的標準實施規程》中的缺陷特征吻合。

圖4 試樣1交流電磁場檢測結果

試樣2交流電磁場檢測結果如圖5所示，圖中各變量與圖4的一致，其同樣具有明顯與ASME標準中吻合的波峰波谷特征，但Bx分量的變化受到探頭提離高度的影響，由40 mC降到25 mC，Bz分量保持在70 mC左右，無明顯變化，說明Bx分量信號強度受提離高度的影響更大。在大提離的檢測工況下，Bz信號的判定比Bx信號更為準確。

圖5 試樣2交流電磁場檢測結果

試樣1在探頭與缺陷成45°角時的檢測結果如圖6所示，圖中信號變化量與圖4信號變化趨勢及特征基本一致。Bx分量的變化受到探頭角度的影響由40 mC降到30 mC，Bz分量的變化量則有所上升，接近80 mC。

圖6 試樣1探頭與缺陷成45°時的檢測結果

試樣1在探頭與缺陷成90°角時的檢測結果如圖8所示，90°檢測時，裂紋平行于電場且垂直于磁場，對電流產生干擾很小，由于裂紋自身寬度為2 mm，此時Bx及Bz分量信號仍存在波峰波谷特征，但并不明顯。

試樣2在探頭與缺陷成45°角時的檢測結果如圖8所示，圖8與圖6信號變化趨勢有所差別，但波峰波谷特征仍比較吻合。Bx分量的變化受到探頭角度的影響由30 mC降到20 mC，Bz分量的變化量明顯下降，變為40 mC。交流電磁場檢測技術中，所檢測對象與探頭檢測方向間的角度會對檢測結果產生影響，圖8及圖6說明，45°時的檢出靈敏度相較于0°時已經有了降低，但降低幅度較小。

試樣2在探頭與缺陷成90°角時的檢測結果如圖9所示 。此時，Bx分量信號存在波谷特征，但Bz分量信號此時變化量只有20 mC左右，信噪比較低，波峰波谷特征不明顯，與檢測標準對比吻合度很差。圖7及圖9說明，在所檢測對象與探頭檢測方向相互垂直時，交流電磁場檢測技術的檢出靈敏度最差，此時的磁場變化幅度取決于檢測對象寬度，對于裂紋等條形缺陷，極易出現漏檢。

圖7 試樣1探頭與缺陷成90°時的檢測結果

圖8 試樣2在探頭與缺陷成45°角時的檢測結果

圖9 試樣2在探頭與缺陷成90°角時的檢測結果

4 結語

(1) 采用交流電磁場檢測技術可以對帶有5 mm厚絕緣層的高壓電纜鉛封的表面裂紋進行檢測，且無需去除絕緣層，檢測方便快捷。

(2) 交流電磁場檢測靈敏度受缺陷方向影響較大，探頭方向與缺陷方向夾角為90°時，缺陷檢出較為困難，實際檢測過程中需根據缺陷具體發生機理確定其檢測方向，或直接進行0°及45°檢測。