高壓電纜阻水緩沖層燒蝕缺陷的射線檢測

謝 億，劉維可，劉三偉，段肖力，曹先慧，黃福勇，馮 超

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 長沙 410007)

2020年某110 kV電纜線路B相發(fā)生故障，其型號為ZC-YJLW03-Z-64/110-1×630 mm2，線路長度約為3.2 km，至今已運行約7 a。故障電纜現(xiàn)場開斷及解剖后，發(fā)現(xiàn)其電纜本體絕緣外屏蔽層和阻水緩沖層有不連續(xù)的燒蝕痕跡，故障電纜阻水緩沖層燒蝕形貌如圖1所示。

圖1 故障電纜阻水緩沖層燒蝕形貌

高壓電纜的阻水緩沖層燒蝕缺陷會使電纜本體在運行過程中發(fā)生隨機性絕緣擊穿，導(dǎo)致線路停運，其引發(fā)的故障多，危害大，是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重大隱患，并長期困擾電纜行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，近20年來國內(nèi)因阻水緩沖層燒蝕導(dǎo)致的缺陷不下30次，其中一小部分是通過電纜線路的停電切接發(fā)現(xiàn)的，其余均是對絕緣擊穿故障案例進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)的。更為重要的是阻水緩沖層燒蝕的產(chǎn)生原因還不清楚，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對原材料的要求不夠明確，也缺乏有效的檢測監(jiān)督手段[1-2]。

針對阻水緩沖層燒蝕，在行業(yè)內(nèi)首次利用數(shù)字射線技術(shù)對該110 kV電纜線路進(jìn)行帶電檢測評估，摸索現(xiàn)場快速無損檢測方法，為該線路的后續(xù)處理提供技術(shù)支持。

1 現(xiàn)場檢測工藝及測點布置

現(xiàn)場檢測用的X射線機為某公司生產(chǎn)的便攜式射線機，該射線機的管電壓調(diào)節(jié)范圍為10～225 kV，有效焦點尺寸為3 mm。

電纜本體中存在導(dǎo)體銅芯線、鋁護(hù)套、交聯(lián)聚氯乙烯(XLPE)絕緣層、聚酯纖維非織造布等不同材料，其端面結(jié)構(gòu)如圖2所示。其密度從銅的8.89 g·mm-3到交聯(lián)聚乙烯的0.93 g·mm-3[3]，各物質(zhì)的射線吸收系數(shù)相差很大，因此平板探測器A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)選擇為14 bit。

圖2 電纜端面結(jié)構(gòu)示意

經(jīng)現(xiàn)場試驗，選擇X射線檢測的管電壓為75 kV，管電流為0.6 mA，焦距為600 mm。在現(xiàn)場檢測過程中，由于擺放機位空間的限制，焦距在500650 mm之間變動，管電壓在6080 kV之間調(diào)整，射線機窗口基本沿電纜中線斜向上30°。

該110 kV電纜線路長3.2 km，共分為4段，每段長度約800 m。按照每相每100 m設(shè)立一個檢測點預(yù)計，每一相段共檢測8個點，預(yù)計共96個檢測點?，F(xiàn)場檢測中發(fā)現(xiàn)，該線路第4段為直埋段，只有一個電纜井具備檢測條件，故該段三相只能檢測1點。

2 檢測結(jié)果

按照設(shè)定的檢測工藝進(jìn)行檢測，射線透照圖像中可以清楚地區(qū)分電纜中的銅芯線、主絕緣及鋁護(hù)套，其中圖中間圓柱體均勻區(qū)域為銅芯線，銅芯線外側(cè)部分為主絕緣，二者中間的導(dǎo)體屏蔽層在圖像中無法顯示。主絕緣為圓筒形，其外層在透照圖中顯示為一條直線。白色的波紋為鋁護(hù)套，鋁護(hù)套與主絕緣間含有絕緣屏蔽層和阻水緩沖層，其在透照圖像中不可見。高壓電纜射線透照圖像如圖3所示。

圖3 高壓電纜射線透照圖像

圖4 典型白色缺陷透照圖像

典型白色缺陷透照圖像如圖4所示。部分透照圖像中可見白色缺陷影像。從圖4中各白色缺陷影像的顯示位置來看，其存在以下特征。一是白色缺陷影像均在白色鋁套管內(nèi)，且大體靠近套管的波谷位置。二是缺陷影像均在圖像的下部分出現(xiàn)，按照射線機的擺位，該部位處于電纜的底部，即靠近電纜支架的位置。

該電纜線路ABC三相一共檢測了75個測點，一共發(fā)現(xiàn)該類型缺陷21處，占總測點的28%。其中A相缺陷5處，B相缺陷9處，C相缺陷7處，分別占各相檢測總量的20%，36%和28%。具體的缺陷位置示意如圖5所示。由此可見該電纜B相的缺陷最多，問題最為嚴(yán)重。

圖5 電纜線路ABC三相缺陷檢出位置示意

3 分析討論

該電纜線路的現(xiàn)場帶電射線透照圖像可清晰顯示電纜的銅芯線、主絕緣和鋁護(hù)套。從實驗室的缺陷電纜實物和射線透照圖像對比來看，采用X射線檢測技術(shù)能很好地檢測出阻水緩沖層燒蝕缺陷。實驗室除去鋁護(hù)套的帶缺陷的電纜實物如圖6(a)所示，其在相同檢測工藝下，套上鋁護(hù)套進(jìn)行射線透照，透照圖像如圖6(b)所示?，F(xiàn)場部分透照圖像顯示出的白色缺陷影像可以認(rèn)為是該線路電纜本體的阻水緩沖層燒蝕缺陷，證明了該工藝條件下的X射線檢測技術(shù)能有效地檢測出電纜本體的同類型缺陷。

圖6 實驗室?guī)毕莸碾娎|實物與其射線透照圖像

進(jìn)一步分析該線路透照圖像中白色缺陷影像顯示的位置規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其均在靠近電纜下部的波谷處，即該缺陷多發(fā)于電纜底部鋁護(hù)套波谷處，這與阻水緩沖層燒蝕缺陷形成的原因有關(guān)。由于阻水緩沖層中的阻水粉(聚丙烯酸鈉)呈堿性，在阻水帶吸潮后會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成密度比阻水緩沖層高的碳酸鈉、碳酸氫鈉及氧化鋁[4]。與電纜頂部相比，電纜底部的鋁護(hù)套承力較大，其波谷處阻水緩沖層與兩側(cè)的鋁和絕緣屏蔽層密切接觸，一旦阻水帶吸潮，該部位最容易發(fā)生反應(yīng)。

經(jīng)過現(xiàn)場的帶電無損檢測，發(fā)現(xiàn)該線路電纜本體的阻水緩沖層燒蝕嚴(yán)重，尤其以B相的缺陷最為突出，正是該質(zhì)量狀況導(dǎo)致了B相近期出現(xiàn)的絕緣擊穿事故。從電纜運行安全和可靠性方面考慮，該線路電纜應(yīng)盡快進(jìn)行更換。

4 結(jié)論

高壓電纜阻水緩沖層燒蝕缺陷是長期影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重大隱患。通過對某110 kV電纜實施帶電X射線檢測，共檢測出21處電纜本體存在的阻水緩沖層燒蝕缺陷，且均處于電纜底部的鋁護(hù)套波谷處。缺陷檢出點占所有檢測點的28%，其中B相的缺陷檢出點占該相檢測點的36%，情況最為嚴(yán)重。表明射線檢測技術(shù)可在帶電情況下有效地檢測出電纜本體阻水緩沖層的燒蝕缺陷，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，有較好的工程應(yīng)用推廣價值。