基于X射線透射特性的電纜內(nèi)部無損探傷技術(shù)研究

趙法強，胡 冉，徐啟源，李德斌

（深圳龍崗供電局廣東深圳518172）

長期以來，我國對配電網(wǎng)電力檢修、測試采用的均是直流耐壓方法進行故障鑒定[1-2]。雖然直流耐壓法可以檢測出交、直流電纜中的大部分缺陷，但卻只能作為故障發(fā)生之后的檢測技術(shù)，無法完成潛伏隱患的排查以及檢修預(yù)防工作。此外，直流耐壓需要在局部進行高壓通電以測試電纜性能，這會對電纜包裹層，尤其是聚乙烯等絕緣物質(zhì)造成一定的損傷[3]。且每次檢修需要進行大規(guī)模的停電維護及分區(qū)域的耐壓排查，效率在現(xiàn)如今大規(guī)模集成電網(wǎng)環(huán)境下已然不足[4]。因此，急需一種更為輕便、靈敏高效的方法進行電纜探傷。

數(shù)字探傷技術(shù)在20世紀(jì)60年代初開始萌芽，到80年代，射線數(shù)字圖像處理已得到較為廣泛的應(yīng)用。后來射線成像技術(shù)被嘗試應(yīng)用到了封閉金屬內(nèi)部孔隙檢測上，但由于成像質(zhì)量低，精度不達(dá)標(biāo)而擱置?，F(xiàn)如今，計算機圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展早已在微小焦點和像素級無損呈像上取得了突破進展。這為數(shù)字射線探傷提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，使該種數(shù)字探傷技術(shù)在電纜維護檢修中替代直流耐壓法進行推廣成為可能。

1 X射線透射原理

X射線具備較強的穿透性，照射在物質(zhì)上，會因為物質(zhì)元素的種類、物體密度和厚度而產(chǎn)生不同程度的衰減。同時，射線源的能量強度也決定著透射的銳利性[5]。因此，對于密度較大的大體積物體，射線發(fā)生器的功率要求也就越高。透射強度和穿透厚度的關(guān)系曲線，如圖1所示。同一物質(zhì)下射線強度與透過率的關(guān)系，如圖2所示。同功率下不同物質(zhì)中的透過率，如圖3所示。

圖1 透射強度與透射厚度關(guān)系

圖2 鋼中透過率與射線能量關(guān)系

圖3 能量固定的X射線透過率與物質(zhì)的關(guān)系

由曲線可知X射線對金屬物質(zhì)透射性能極差，金屬粒子會吸收掉大部分的光波能量進行能級躍遷[6]。而電纜絕緣層主要以交聯(lián)聚乙烯這類的高聚合物為主，對X射線的能量損耗較小。低功率的X射線發(fā)生器即可滿足探傷需求，技術(shù)難度和制造成本均得到了有效控制，這也是文中選用X射線進行探測的根本原因。

2 X射線發(fā)生裝置與電纜檢測方法研究

本文采用高壓真空二極管實現(xiàn)X射線發(fā)生，工作過程如下：

1）兩極加載兩千伏以上直流、交流電，對陰極極絲加熱，產(chǎn)生熱電子。

2）熱電子受到電壓產(chǎn)生的極大電場力，在管內(nèi)高速發(fā)射，擊中陽極的電子靶，碰撞釋放大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，小部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪?，這部分即為X射線。高壓真空二極管X結(jié)構(gòu)，大致如圖4所示。

圖4 真空二極管結(jié)構(gòu)

2.1 直接攝影檢測法

X射線進行透射檢測的方法主要有3種[7]。最為直接的應(yīng)用為X射線透射目標(biāo)后在感光片上呈像得到內(nèi)部圖像，如圖5所示。

圖5 直接攝影呈像

2.2 間接攝影檢測法

不采用感光片，而是用熒光板收集投射出來的X射線，在暗室或者暗箱中進行可視化處理，然后用裝入感光片的相機間接拍攝呈像。這種方法稱為間接攝影檢測法，裝置如圖6所示。

圖6 間接攝影呈像

2.3 透視檢測法

用解析度較高的熒光板對透射的X射線進行收集處理，轉(zhuǎn)化為可視像，經(jīng)倍增管和雙孔方法之后將細(xì)節(jié)精度提高到肉眼可捕捉的程度。這種方法比直接法、間接法呈像圖像質(zhì)量更高，顆粒損失較小，圖片整體亮度更強，且無需再暗室觀察。裝置如圖7所示。

圖7 透視法呈像

對比以上3種方法可知：直接法感光解析度高，可以應(yīng)用在較厚的樣本上，如輕質(zhì)金屬或塑料。第二種方式解析度差，操作復(fù)雜，不推薦使用。透視法則可以應(yīng)用在大批量產(chǎn)品的流水檢測，解析度稍低，但檢測速率較高。

3 X射線電纜無損探傷

3.1 X射線發(fā)生器選型

基于以上3種X射線發(fā)生方法特性，結(jié)合電纜檢修的實際環(huán)境需求，選用輕便、小型的自整流X射線發(fā)生裝置[8]。技術(shù)參數(shù)為：功率0.5 kVA、5 mA電流、穿透率為（鋼5.3 mm，純鋁65 mm）最高管壓降100 kV。另外，考慮到實際測試中的復(fù)雜情況，除了基本X射線發(fā)生管，發(fā)生裝置內(nèi)還增了一個方向定位器和長方窗用來定量控制管內(nèi)電子流焦點和感光片距離以及收束X射線，從而進一步提升探傷呈像的清晰度。

3.2 無損電纜探傷實例分析

為保證技術(shù)方案的普適性，實測選用了不同材質(zhì)型號的電纜。由X射線透射特性在不同材質(zhì)中的表現(xiàn)不同，文中又分別制定匹配技術(shù)方案，進行分組實測。

1）XLPE-1*630 mm2鋁波紋狀護套電纜

RF-100GBS發(fā)生器選用管壓為60 kV，加壓持續(xù)時長為5 s，獲得X射線感光成像的XLPE-1*630 mm2鋁波紋狀護套電纜內(nèi)部狀況圖像。分析圖像特征可由局部扭曲判斷，電纜芯線駁接不良導(dǎo)致了內(nèi)部絕緣畸變，從而發(fā)生電纜損傷。

2）110kV/XLPE-1*600 mm2的銅絲屏蔽型電纜

抽樣時發(fā)現(xiàn)電纜表面有明顯凸起，呈現(xiàn)為2 mm塊狀。因表面無破損，且在不確定異常原因時，出于安全考慮不能打開檢查?，F(xiàn)用X射線進行異常部位探傷，考慮銅絲屏蔽電纜材質(zhì)較難穿透，選用95 V電壓，加壓持續(xù)時長為50 s，保證射線全透射進行完整呈像[9]。分析圖像發(fā)現(xiàn)電纜線芯在凸起處有駁接，但駁接口由于工藝原因焊接存在隱患，欠順滑導(dǎo)致芯線擠壓變形致使XLPE絕緣層受阻結(jié)塊。進一步再加80 V管壓，持續(xù)5 s透射，對外屏蔽層做精細(xì)化透射探傷，發(fā)現(xiàn)銅絲屏蔽層受擠壓出現(xiàn)畸變。綜上，得出結(jié)論為電纜制造質(zhì)量問題，需退回廠家更換。

3）110k/1*500 mm2鋁波紋護套電纜

外部故障表征為PVC外護套松脫，周邊有1/3圓的環(huán)狀凸起，高度約為8 mm，如圖8所示。X射線探傷管壓選用8 kV，加壓持續(xù)時間為6 s，通過感光片對透射呈像，如圖9所示[10]。觀察發(fā)現(xiàn)鋁波紋護套畸變導(dǎo)致凸起，但纜芯尚未因屏蔽層變形擠壓受到損傷，不影響電纜正常供電，無需破開電纜進行修復(fù)。

圖8 電纜外套層呈現(xiàn)凸起

圖9 X射線透射呈像

對比以上3組電纜探傷，結(jié)果表明：X射線探傷技術(shù)對于不同材質(zhì)電纜的探傷效果顯著，透射呈像還原度極高。且故障分析結(jié)果準(zhǔn)確，可直接定位纜芯層破損、畸變、短路、阻塞或是絕緣層損傷，從而決定電纜更換與否[11-15]。

4 結(jié)束語

文中基于傳統(tǒng)耐壓檢測方法存在局限性的背景現(xiàn)狀，提出了數(shù)字化X射線透射特性下的電纜探傷技術(shù)研究。文中從X射線發(fā)生管的工作原理出發(fā)[16]，選用符合電纜檢修環(huán)境的小功率間接投影探傷裝置。并充分考慮到不同材質(zhì)對X射線的削減特性，在實測中對不同型號電纜分別設(shè)定相匹配的參數(shù)來保證呈像的品質(zhì)?？傮w而言，X射線無損探傷技術(shù)降低了傳統(tǒng)探傷的高昂成本，解決了潛在的安全隱患，大幅提升了電纜檢測、預(yù)防與維修的技術(shù)水準(zhǔn)，擁有良好的技術(shù)擴展性，在研究與實際生產(chǎn)領(lǐng)域中均具備極高價值。