渦流檢測高壓電纜附件鉛封缺陷的試驗研究

蒲英俊，劉廣興，李正利，劉 文，付天孟

（1.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

在金屬護套電纜中間接頭和終端頭的密封方法中，封鉛是電纜附件安裝中常用的密封方式。雖然封鉛的工藝較復雜，但由于其密封性能可靠，又有良好的機械強度和耐老化性能，因此仍被廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，目前高壓電纜線路的故障原因比例變化較大。電纜附件已經(jīng)成為電纜線路中最薄弱的環(huán)節(jié)，大部分電纜附件的故障是由于產(chǎn)品質量和施工安裝不當造成的［1-2］。另外，在對鉛封進行人工檢測時，需要將鉛封的熱縮套和防水帶取下，操作困難，效率低下。因此，有必要采用可靠、方便的檢測方法對電纜鉛封狀態(tài)進行檢測和評價，以保證鉛封的質量和檢測效率。

近些年無損檢測新技術逐步被推廣應用到電網(wǎng)設備質量檢測［3-4］。目前，在不拆除外部絕緣情況下對高壓電纜附件鉛封檢測的方法主要有回路電阻測試、X 射線檢測和渦流檢測。回路電阻測試和X 射線檢測均存在無法完整有效檢出鉛封開裂的問題，而渦流檢測技術具有不受檢測位置影響、操作不觸碰被檢測部件、檢測效率高的特點［2］，因此近年來針對渦流檢測高壓電纜附件鉛封的技術研究越來越受到關注。不過目前針對相關技術的研究多停留在內部試驗或技術壁壘階段，缺少公開的最小缺陷檢測靈敏度試驗驗證數(shù)據(jù)，成套的可行性理論分析以及可參照執(zhí)行的檢測工藝。不利于高壓電纜附件鉛封缺陷渦流檢測技術的有效推廣和現(xiàn)場作業(yè)指導。

分析了高壓電纜附件鉛封常見結構、缺陷及渦流檢測原理，通過制作鉛封模擬缺陷，調試鉛封渦流檢測探頭、儀器參數(shù)，檢測采集、評價有缺陷和無缺陷位置渦流圖譜，形成依靠常用渦流檢測設備檢測高壓電纜附件鉛封表面開裂缺陷的可行性結論。并通過檢測過程完善了高壓電纜附件鉛封渦流檢測的工藝參數(shù)。

1 高壓電纜附件鉛封常見結構及缺陷

1.1 鉛封常見結構

鉛封是指用鉛錫等合金材料封堵尾管端部與金屬套之間的縫隙，封堵后的成型結構。搪鉛是指鉛封的工藝。高壓電纜鉛封用來使附件的銅殼或尾管與電纜鋁護套電氣連接，同時起到密封防水作用。結構如圖1 所示，鉛封制作時，首先在高壓電纜鋁護套和尾管或中間接頭銅殼間高溫搪鉛一層圓弧狀的鉛，再在鉛表面緊繞2～3 層防水包帶，之后熱縮一層護套。包帶和熱縮套的厚度在5 mm 左右。

圖1 高壓電纜終端尾管鉛封結構

1.2 鉛封常見的缺陷

事故現(xiàn)場收集的典型鉛封缺陷包括表面刀痕狀劃傷、徑向開裂變形、內部層疊和砂眼。表面刀痕狀劃傷和內部層疊、砂眼主要來自鉛封加工工藝執(zhí)行不到位。而徑向開裂不僅受加工工藝影響，還受運行中受力、振動等因素影響，造成鉛封開裂、孔洞、變形等缺陷，容易造成附件受潮或電氣連接不良，絕緣程度降低，引起高壓電纜線路跳閘甚至擊穿事故，造成嚴重經(jīng)濟損失。

2 渦流檢測理論分析

2.1 基本原理

渦流檢測是一種基于電磁感應原理的無損檢測方法，適用于導電材料。將帶有交變電流激勵信號的檢測線圈靠近導體材料，由激勵線圈磁場作用，在導體材料表面產(chǎn)生電渦流，同時電渦流也會產(chǎn)生一個磁場。渦流伴生的感應磁場會與原磁場疊加，使得檢測線圈的復阻抗發(fā)生改變，即在這個磁場的作用下，檢測線圈中電流大小和相位都將發(fā)生變化。這些變化與被測體電磁特性、幾何尺寸、感應渦流強度、激勵電流參數(shù)及探測線圈與被測體之間的距離有關［5］。因此在檢測參數(shù)和被測導體電磁特性參數(shù)及檢測距離不變的情況下，可用探測線圈阻抗和電壓及周圍磁場的變化來反映被測體的信息，實現(xiàn)被測體表面缺陷的檢測［6-7］。如圖2 所示，無缺陷時阻抗均勻變化渦流信號圖譜會單一顯示，有缺陷時阻抗變化差異大進而會導致渦流信號圖譜幅值、相位發(fā)生明顯變化形成“8”字回線顯示渦流檢測是一種無填充耦合、非接觸式的檢測方式。

圖2 渦流檢測基本原理

2.2 等效電路分析

按圖3 中電流假定方向，根據(jù)基爾霍夫電壓平衡方程式，可得回路復數(shù)電壓方程為

用交流電路分析方法，解式（1）和式（2）得檢測線圈等效阻抗方程為

式中：R1和R2分別為線圈和工件中的電阻；分別為線圈和工件中的交變電流復數(shù)值和Z1分別為線圈輸入電壓復數(shù)值和等效阻抗值；L1和L2分別為線圈和工件的電感；M 為線圈與工件互感系數(shù)；ω 為電流頻率；j 為虛數(shù)的單位［5］。可以看出，通過檢測線圈（放置式探頭）阻抗的變化能夠推斷次級線圈（被檢工件）的阻抗是否發(fā)生變化。

圖3 檢測線圈與被檢工件等效電路

2.3 提離效應

提離效應指的是應用點式放置式線圈檢測時，線圈與工件間的距離變化引起的檢測線圈阻抗變化效應［6-7］。在檢測提離發(fā)生變化時，渦流產(chǎn)生的磁場到達檢測線圈處的大小也會隨提離而改變。提離值越大，渦流產(chǎn)生的磁場衰減也就越大，因而檢測到的磁場值也就越小，反之亦然。

鉛封材質為非鐵磁性材料，檢測信號波幅的變化隨著提離距離的變化增大而增大。由于鉛板上感應渦流流向與激勵電流流向相反，兩者在檢測線圈處感應磁場方向也相反并疊加。當提離距離變化增大時，激勵磁場與渦流感應磁場相互疊加的差值變化也會變大。在檢測線圈上感應的信號也會發(fā)生增強和減弱的明顯變化。

可見，提離的變化會對渦流檢測結果有很大的影響。而且當檢測線圈為圓柱形激勵線圈，被測試件為非鐵磁性材料時，提離越大感應信號的幅值最大值也就越大，可檢靈敏度越高［8］。

2.4 適用分析

開展渦流技術在鉛封表面質量檢測的應用首先要滿足渦流檢測技術的應用原理，掌握可靠的檢測參數(shù)、被測導體電磁特性參數(shù)和相對一致的檢測距離。

檢測參數(shù)即檢測探頭和檢測儀器參數(shù)，如檢測線圈材質、繞制層數(shù)和匝數(shù)、直徑、激勵電流、頻率等物理值，可調試設定后作固定值看待。被檢測導體電磁參數(shù)與材質組成、冶煉和加工工藝有關，由于鉛封加工工藝、金屬混合比例統(tǒng)一［9］，被測體的導電率、磁導率測量后也可作固定值看待。檢測距離可看作提離高度，但提離高度在自由空間檢測時較難固定，探頭傾斜、表面粗糙不均或凹凸不平，均會產(chǎn)生不小的提離噪聲［10］。帶有熱縮套的鉛封，外部絕緣厚度統(tǒng)一均勻，檢測時可直接將探頭放置在絕緣表面上，水平滑動探頭，保證最小噪聲。幾何尺寸在光滑無缺陷無邊界的被測鉛封表面可看作固定值，而鉛封存在缺陷時可看作非線性幾何變化。

典型鉛封缺陷位置分布可分為兩類：一類是表面和近表面缺陷，如表面刀痕狀劃傷、開裂；一類是埋藏缺陷，如內部層疊、砂眼。常規(guī)渦流檢測具有不接觸、檢測快、靈敏度高等技術特點，理論上可以應用在不拆除鉛封包帶和熱縮護套情況下的表面檢測。但渦流檢測也具有一定的局限性比如較難檢測出導體材料埋藏缺陷［11］。

為了檢驗渦流檢測高壓電纜附件鉛封缺陷的實際效果，在實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場開展鉛封典型缺陷檢測模擬試驗工作。

3 檢測試驗

3.1 檢測系統(tǒng)

針對不拆除鉛封包帶和熱縮護套情況下的檢測需求，設計采用了保證提離高度5 mm 的專用放置式渦流檢測探頭，探頭基本結構為圓柱形激勵線圈，直徑10 mm，設計電流2A，頻率范圍為1～100 kHz，檢測設備采用常規(guī)的EEC39-RFT 渦流檢測儀。檢測系統(tǒng)如圖4 所示，包括探頭、信號發(fā)射與處理器和計算機系統(tǒng)。

3.2 典型缺陷試樣制作

鉛封缺陷主要由安裝加工和運行環(huán)境引起，其中危害最大的缺陷為頂部開裂缺陷。參考鉛封常見缺陷深度和帶護套兩方面因素，按高壓電纜終端接頭標準搪鉛工藝制作4 件缺陷試樣。

圖4 渦流檢測系統(tǒng)

試樣Ⅰ：表面裂縫寬度1 mm，長度為30 mm，深度為1 mm 的缺陷，并對試樣進行防水包帶和熱縮護套處理，整個絕緣厚度在5 mm。

試樣Ⅱ：表面裂縫寬度1 mm，長度為30 mm，深度為3 mm 的缺陷，并對試樣進行防水包帶和熱縮護套處理，整個絕緣厚度在5 mm。

試樣Ⅲ：表面裂縫寬度1 mm，長度為30 mm，深度貫穿至鋁護套的缺陷，并對試樣進行防水包帶和熱縮護套處理，整個絕緣厚度在5 mm。

試樣Ⅳ：施工現(xiàn)場隨機截取的存在內部分層和砂眼缺陷，缺陷大小、深度隨機，并對試樣進行防水包帶和熱縮護套處理，整個絕緣厚度為5 mm。

3.3 試驗過程及數(shù)據(jù)分析

試驗人員首先對試樣的電阻率進行了測試。然后根據(jù)5 mm 絕緣提離高度、試樣電阻率數(shù)值及探頭頻率設計范圍，在試樣Ⅰ無缺陷位置依次用10～100 kHz 的主檢頻率檢測采集不同頻率下的晃動信號（也稱本底噪聲信號）幅值和相位數(shù)據(jù)。以同樣的方法對試樣存在缺陷的位置進行不同頻率的檢測，并繪制幅值、相位與頻率的對應關系曲線，如圖5 所示。

由圖5（a）可以看出，在25 kHz 附近有缺陷與無缺陷位置幅值差值最大，信號與噪聲比最大，信號圖差異明顯，易于分辨，如圖6 所示。同樣，由圖5（b）可見在25 kHz 附近相位角的差值也相對較大。試驗人員根據(jù)信噪比優(yōu)先，易于視覺辨別的原則選擇了25 kHz 作為最佳主檢頻率。

在選擇好主檢頻率的同時，為了進一步進行圖像有無缺陷的信號差異辨別，試驗人員適當?shù)卣{節(jié)了圖像X、Y 軸增益比。為了減少低頻信號的干擾而又不影響檢測靈敏度，試驗人員開啟了高通濾波功能。具體試驗工藝參數(shù)如表1 所示。

圖5 試樣Ⅰ主檢頻率選擇

圖6 試樣Ⅰ25 kHz 主檢頻率檢測結果

表1 試樣及儀器工藝參數(shù)

在得到試樣Ⅰ的可行性檢測工藝參數(shù)后，采用同樣的檢測工藝參數(shù)驗證試樣Ⅳ檢測可行性，未檢測出試樣Ⅳ內部缺陷。同樣，根據(jù)試樣Ⅰ缺陷做檢測靈敏度工藝參數(shù)，檢測驗證缺陷深度更大的試樣Ⅱ、試樣Ⅲ缺陷，能夠檢測出對應試樣缺陷情況，并且數(shù)據(jù)顯示開裂的越深渦流信號波幅差異越明顯，即隨著開裂深寬比的變大，渦流檢測鉛封開裂的效果就越好，如圖7 所示。每一個試樣接頭鉛封均可在5 min內完成檢測。

圖7 25 kHz 主檢頻率試樣Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ缺陷幅值

3.4 應用試驗

為驗證渦流檢測高壓電纜附件鉛封生產(chǎn)應用效果，對山東電網(wǎng)某市的220 kV 高壓電纜開展試點應用。

圖8 鉛封開裂缺陷渦流圖譜

對某終端接頭A 相鉛封進行帶絕緣層檢測時發(fā)現(xiàn)有明顯異常信號顯示，如圖8 所示。剝開該鉛封熱縮套進行現(xiàn)場確認，發(fā)現(xiàn)存在明顯的環(huán)形開裂，如圖9 所示。檢修人員對缺陷進行完整返修后，進行相同方式檢測，檢測顯示信號未見異常。

圖9 現(xiàn)場開裂

4 結語

應用常用渦流檢測設備選擇合理檢測參數(shù)可采集到雜波少、曲線清晰，有無缺陷情況下信號幅值、相位差異明顯的圖譜，驗證了不拆除外部絕緣條件下的高壓電纜附件鉛封表面開裂缺陷渦流檢測可行性。

渦流檢測鉛封試樣不受檢測位置影響，檢測一個鉛封接頭可在5 min 內完成，檢測速度快?，F(xiàn)有儀器可檢測寬度不低于1 mm、深度不低于1 mm、長度不低于30 mm 的模擬缺陷，檢測精度高。

鉛封開裂深寬比越大，渦流信號差異越明顯，越易于識別分辨。渦流檢測圖譜可實時顯示和長期保存用于后續(xù)分析評價。

試驗分析和現(xiàn)場驗證表明，相關檢測技術對高壓電纜附件鉛封缺陷的渦流檢測，提供了公開有效的工藝參考。