高壓電纜阻水緩沖層燒蝕缺陷的射線檢測(cè)工藝參數(shù)研究

劉維可， 謝 億， 劉三偉， 段肖力， 曹先慧，黃福勇， 馮 超， 吳堂清

（1.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；2.湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南湘潭411105）

0 引 言

高壓電纜相比于架空線具有占地少、送電可靠、不受外界環(huán)境影響、地下敷設(shè)對(duì)人身安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。高壓電纜在我國(guó)已經(jīng)使用了30多年，最初全部使用進(jìn)口產(chǎn)品，目前為止66～500 kV電力電纜基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，每年有超過(guò)一萬(wàn)公里的高壓電纜埋設(shè)于地下。從近十幾年高壓電纜本體事故案例解剖發(fā)現(xiàn)，大量出現(xiàn)阻水緩沖層燒蝕現(xiàn)象，甚至引發(fā)電纜本體擊穿。2001～2020年，中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)發(fā)現(xiàn)高壓電纜緩沖層燒蝕故障和缺陷40次，其中故障31次，線路切改時(shí)發(fā)現(xiàn)緩沖層燒蝕缺陷9次。該缺陷是在電纜運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的，引發(fā)的故障多、危害大，是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患，并長(zhǎng)期困擾電纜行業(yè)。因此，開(kāi)展對(duì)高壓電纜阻水緩沖層缺陷的定期檢測(cè)顯得尤為重要［1-2］。

現(xiàn)有的高壓電纜在線監(jiān)測(cè)手段難以有效檢出此類缺陷，高壓電纜阻水緩沖層缺陷以往只能通過(guò)停電切接發(fā)現(xiàn)，缺乏有效的無(wú)損檢測(cè)手段。本文針對(duì)阻水緩沖層燒蝕缺陷的射線檢測(cè)工藝開(kāi)展了研究，研究結(jié)果表明，該技術(shù)可在不拆解和破壞高壓電纜的情況下實(shí)施檢測(cè)，并給出了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的兩次檢測(cè)夾角角度范圍，以及焦距、管電壓、曝光量（管電流和時(shí)間）的推薦射線參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供了技術(shù)規(guī)范參考，為制定標(biāo)準(zhǔn)提供了依據(jù)。

1 高壓電纜射線檢測(cè)工藝試驗(yàn)方案

高壓電纜的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括銅導(dǎo)體、交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣層、聚酯纖維非織造布阻水緩沖層、皺紋鋁護(hù)套等，其密度如表1所示。射線檢測(cè)是利用不同物體對(duì)射線的吸收率不同的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同物體之間密度差距越大，相鄰位置的明暗區(qū)別就越明顯，理論上密度偏差超過(guò)1.5%時(shí)即可用射線檢測(cè)區(qū)分。電纜密度［3］從交聯(lián)聚乙烯的0.93 g／cm3到銅的 8.89 g／cm3，且緩沖層缺陷密度為3.50～3.90 g／cm3，各層密度與射線吸收系數(shù)相差很大，因此理論上缺陷可以檢出。

圖1 高壓電纜端面結(jié)構(gòu)示意圖

一方面對(duì)高壓電纜進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，由于銅導(dǎo)體密度遠(yuǎn)大于緩沖層缺陷的密度，若X射線在穿過(guò)缺陷時(shí)，又穿過(guò)銅芯，則缺陷無(wú)法檢出。因此單次射線檢測(cè)無(wú)法保證將電纜缺陷檢出，需要理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證第二次射線檢測(cè)與初次射線檢測(cè)的夾角角度，以確保兩次射線檢測(cè)能檢出缺陷電纜。

表1 高壓電纜各層密度及緩沖層缺陷密度

另一方面，檢測(cè)時(shí)X射線儀的參數(shù)焦距F、管電壓U、管電流I、時(shí)間T對(duì)X射線數(shù)字圖像質(zhì)量有重要影響［4］。為快速而準(zhǔn)確地分析各個(gè)參數(shù)對(duì)X射線圖像的影響程度，得到最佳的成像條件，采用正交試驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行了多組試驗(yàn)以得到最佳射線參數(shù)。

因此本文一方面采用正交試驗(yàn)法研究確定了X射線機(jī)焦距F、管電壓U、管電流I、時(shí)間T等射線參數(shù)，另一方面通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證確定了兩次射線檢測(cè)的夾角角度，從而確保了缺陷的檢出。

試驗(yàn)選用某公司生產(chǎn)的便攜式X射線儀，管電壓調(diào)節(jié)范圍為10～225 kV，有效焦點(diǎn)尺寸為3 mm，平板探測(cè)器A／D轉(zhuǎn)換位數(shù)為14 bit，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2，帶阻水緩沖層缺陷的電纜本體（無(wú)外護(hù)套）見(jiàn)圖3。

圖2 試驗(yàn)裝置

圖3 帶阻水緩沖層缺陷的電纜本體（無(wú)外護(hù)套）

2 X射線機(jī)射線參數(shù)

2.1 焦距

依據(jù) NB／T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)要求［5］，對(duì)于AB級(jí)射線檢測(cè)技術(shù)，透照時(shí)射線源至平板的焦距應(yīng)滿足式（1）的要求：

式中：F為焦距（mm）；ds為射線機(jī)的焦點(diǎn)直徑或當(dāng)量直徑（mm）；b為被檢電纜的半徑（mm）。

試樣的電纜型號(hào)為 ZC-YJLW03-Z-64／110-1×630 mm2，其電纜半徑b為48 mm，焦點(diǎn)直徑ds為3 mm，計(jì)算得：透照焦距F應(yīng)大于495 mm。因此，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的焦距可以選擇在500 mm及以上。在具體的試驗(yàn)中，透照焦距取 500 mm、750 mm和1 000 mm進(jìn)行比較。取管電壓為60 kV，管電流為0.5 mA，曝光時(shí)間為15 s進(jìn)行射線檢測(cè)，得到透照?qǐng)D如圖4所示，箭頭所指即為白色缺陷影像。3種焦距條件下均能檢測(cè)出電纜緩沖層缺陷，750 mm焦距的圖像清晰度更好。

圖4 不同焦距條件下電纜的射線透照?qǐng)D

2.2 管電壓

在射線檢測(cè)工作中，正確選擇X射線儀的管電壓十分關(guān)鍵，它直接決定X射線的透照能力。射線檢測(cè)的靈敏度主要取決于工件對(duì)比度和成像板的靈敏度。其中成像板的靈敏度是由檢測(cè)系統(tǒng)自身決定且不易改變，工件對(duì)比度是射線通過(guò)工件兩個(gè)不同區(qū)域后射線強(qiáng)度的比率，主要是由材料的吸收系數(shù)、缺陷深度及管電壓決定，在以上三個(gè)因素中，材料吸收系數(shù)、缺陷深度都不可變，僅管電壓可改變。

取固定焦距為750 mm，管電流為0.5 mA，曝光時(shí)間為15 s。調(diào)節(jié)管電壓從40～90 kV進(jìn)行射線檢測(cè)，其中50 kV、70 kV和90 kV的透照?qǐng)D如圖5所示，由圖5可見(jiàn)70 kV管電壓條件下的圖像清晰度更好。

圖5 不同管電壓條件下電纜的射線透照?qǐng)D

2.3 曝光時(shí)間

曝光量是X射線源發(fā)出射線的管電流I與透照時(shí)間T的乘積。曝光量是X射線透照檢測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)，它直接影響圖像的黑度，兩者在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。通過(guò)調(diào)節(jié)曝光量可以調(diào)整圖像的質(zhì)量。同時(shí)，曝光量還影響著圖像的對(duì)比度、顆粒度、信噪比及靈敏度。通過(guò)調(diào)整曝光時(shí)間可以改變曝光量。

取固定焦距為750 mm，管電壓為70 kV，管電流為0.5 mA。調(diào)節(jié)曝光時(shí)間從5～25 s進(jìn)行射線檢測(cè)，其中5 s、15 s和25 s的透照?qǐng)D如圖6所示，可見(jiàn)15 s曝光時(shí)間下的圖像清晰度更好。

圖6 不同曝光量（曝光時(shí)間）下電纜的射線透照?qǐng)D

2.4 管電流

管電流是X射線儀陰極加熱絲的電流，電流越大產(chǎn)生的電子越多，打到陽(yáng)極靶的電子也越多，曝光量就越大。因此調(diào)節(jié)管電流可改變曝光量。

取固定焦距為750 mm，管電壓為70 kV，曝光時(shí)間15 s。調(diào)節(jié)管電流從0.5～0.9 mA進(jìn)行射線檢測(cè)。其中0.5 mA、0.7 mA和0.9 mA的透照?qǐng)D如圖7所示，3種管電流條件下均能檢測(cè)出電纜緩沖層缺陷，區(qū)別不大。

圖7 不同曝光量（管電流）條件下電纜的射線透照?qǐng)D

2.5 X射線儀射線參數(shù)選擇建議

基于以上的試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際檢測(cè)情況，對(duì)于高壓電纜的射線檢測(cè)，可以按照以下幾點(diǎn)進(jìn)行射線參數(shù)選擇。

（1）由于電纜管廊空間較大，可在檢測(cè)時(shí)適當(dāng)加大透照焦距，而電纜溝井等空間狹小，檢測(cè)時(shí)可減少透照焦距，因此透照焦距可以在500～1 000 mm之間選擇。

（2）在保證曝光量的前提下，現(xiàn)場(chǎng)透照宜選擇較低的管電壓。

（3）在滿足圖像質(zhì)量、檢測(cè)速率和檢測(cè)效率的前提下，現(xiàn)場(chǎng)透照宜選擇較低的曝光量。

（4）對(duì)于試樣電纜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況，推薦如下的透照參數(shù)：1）焦距500 mm，管電壓60 kV，曝光量為 15 s×0.5 mA；2）焦距 750 mm，管電壓 70 kV，曝光量為 15 s×0.5 mA；3）焦距 1 000 mm，管電壓80 kV，曝光量為 15 s×0.5 mA。

3 兩次射線檢測(cè)夾角研究

由于檢測(cè)缺陷所用的管電壓較低，無(wú)法穿透銅芯，若高壓電纜阻水緩沖層缺陷部位在X射線穿過(guò)銅芯區(qū)域，則缺陷無(wú)法檢出，其余部位缺陷可檢出，見(jiàn)圖8和圖9。也就是說(shuō)，如果只進(jìn)行一次射線檢測(cè)，則可能出現(xiàn)缺陷電纜漏檢。因此需要對(duì)電纜進(jìn)行第二次射線檢測(cè)，與初次射線檢測(cè)呈一定夾角，以保證兩次檢測(cè)的范圍覆蓋到整個(gè)可能存在缺陷的阻水緩沖層。

圖10、圖11分別為兩次射線檢測(cè)的最小、最大夾角示意圖。圖中直線為X射線；小圓為電纜導(dǎo)體，半徑為d；大圓為阻水緩沖層，半徑為D；Af，Ab分別代表單次照射無(wú)法檢測(cè)區(qū)段；α1代表兩次射線檢測(cè)最小夾角，α2代表兩次射線檢測(cè)最大夾角。由相切易知：

圖8 高壓電纜射線檢測(cè)缺陷可檢出部位示意圖

圖9 高壓電纜射線檢測(cè)缺陷不可檢出部位示意圖

試樣電纜銅導(dǎo)體半徑d為14.95 mm，阻水緩沖層最內(nèi)層半徑D為33.8 mm，計(jì)算得α1為52.5°，α2為127.5°，也就是說(shuō)理論上兩次射線檢測(cè)的夾角在52.5°～127.5°范圍就可檢出缺陷。試驗(yàn)論證了當(dāng)初次檢測(cè)缺陷在0°時(shí)，第二次檢測(cè)與初次檢測(cè)呈60°和120°夾角時(shí)都可檢出缺陷，如圖12中白色缺陷影像所示。

圖10 兩次射線檢測(cè)最小夾角示意圖

圖11 兩次射線檢測(cè)最大夾角示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究了高壓電纜阻水緩沖層缺陷的射線檢測(cè)工藝參數(shù)。一方面，通過(guò)正交試驗(yàn)研究，給出了X射線儀各射線參數(shù)選擇建議，推薦焦距取500～1 000 mm，管電壓60～80 kV，曝光量取0.5 mA×15 s。另一方面，研究了兩次檢測(cè)夾角對(duì)缺陷檢出的影響，給出了夾角范圍為2×arcsin（d／D）至 180°-2×arcsin（d／D），并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。在本文推薦的工藝參數(shù)下，可規(guī)范高效地檢出電纜本體阻水緩沖層燒蝕缺陷，建議加快該工藝參數(shù)的規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)制定，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖12 不同射線檢測(cè)夾角下的電纜的射線透照?qǐng)D