高壓電纜緩沖層缺陷數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)研究

劉三偉，段肖力，黎剛，謝億，黃福勇

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

0 引言

隨著城市化的不斷推進, 城市電網(wǎng)電纜化率持續(xù)攀升, 電纜設(shè)備規(guī)?？焖僭鲩L。據(jù)悉, 國家電網(wǎng)有限公司110 kV 及以上電壓等級電纜規(guī)模每年以超過 10% 的速度增長, 截至目前, 規(guī)模已達9.4 萬 km。

在運電纜由于帶缺陷運行經(jīng)常引起電纜擊穿等事故, 電纜缺陷給電纜安全運維工作帶來了很大的安全風(fēng)險[1-2]。當(dāng)電纜發(fā)生故障, 一般采用電橋法[3]或者脈沖法[4-5]對電纜故障進行初步查找后,可以初步確定故障的范圍；為精確進一步確定故障點的位置, 還需要運維人員采用其他設(shè)備進行故障點的精確定位[6-7]。目前, 精確定位的方式有電纜短路速查法、聲磁同步法和跨步電壓法[8-11]。

以上電纜故障的查找方法都是針對電纜故障已經(jīng)發(fā)生的故障點精準(zhǔn)定位, 目前還缺乏有效的電纜故障隱患在線檢測方法。

及時有效地發(fā)現(xiàn)電纜缺陷, 采取合理的措施對缺陷進行治理, 是保障電纜安全運維的重要工作。因此, 針對電纜緩沖層隱患在線檢測問題, 提出采用數(shù)字X 射線無損檢測分析方法來實現(xiàn)電纜緩沖層缺陷無損檢測。

1 數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)

1.1 數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)原理

X 射線成像基本原理如圖1 所示。不同能量的X 射線穿透被檢物質(zhì)的能力也不同。理論和實驗研究表明, 窄束、單能X 射線透過一層均勻厚度的物質(zhì)時, 射線強度按指數(shù)規(guī)律衰減, 入射強度隨穿透物體的厚度增加而衰減, 即:

式中,I0為入射射線束的強度；I為透射物質(zhì)后射線束的強度；x為物質(zhì)的厚度；ρ為線衰減系數(shù),cm-1；μ表示單位時間內(nèi)X 射線通過單位長度物質(zhì)的衰減指數(shù)。

圖1 X 射線成像基本原理

1.2 數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

數(shù)字X 射線無損檢測在電纜缺陷檢測工作中,具有以下的應(yīng)用優(yōu)勢:

1) 在線無損檢測。利用數(shù)字X 射線檢測技術(shù), 可以實時對電纜故障隱患進行檢測排查, 不需要停電, 對電纜運行無影響。

2) 可靠性高。數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)是非電氣方法的檢測, 利用數(shù)字X 射線強大的穿透力,在物質(zhì)檢測中, 可以通過檢測結(jié)果灰度值的不同將電纜導(dǎo)體、電纜絕緣、電纜護套和電纜隱患點進行區(qū)分, 從而準(zhǔn)確快速分辨出故障隱患點[12]。

3) 操作簡便?，F(xiàn)有的X 射線無損檢測設(shè)備已經(jīng)做到了小型化、便捷化[13], 可以方便地將設(shè)備帶到現(xiàn)場進行檢測作業(yè), 操作原理簡單, 運維人員很容易掌握使用方法, 現(xiàn)場使用十分方便[14]。

4) 應(yīng)用范圍廣。采用X 射線無損檢測, 可以方便地對各電壓等級、各種故障類型下的電纜故障隱患點進行檢測, 具有廣泛的適用性[15]。

1.3 數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)應(yīng)用關(guān)鍵

電壓直接決定X 射線的穿透力, 電壓越高, X射線的質(zhì)越硬, 在電纜中的衰減系數(shù)越小, 穿透的厚度也就越大, 但是從射線成像的靈敏度考慮, 在保證穿透力的前提下, X 射線的能量越低, 其對比度越高, 靈敏度越高。

特別，若ai=0,bi=+∞，則C={x∈Rn:xi≥0}。對?u∈Rn，PC(u)=(max(xi,0))i。

由于不同電壓等級的電纜結(jié)構(gòu)上的差異, 在使用X 射線無損檢測技術(shù)時, 選取合適的管電壓、管電流參數(shù)是獲得高質(zhì)量檢測圖像的關(guān)鍵。選取某110 kV 變電站內(nèi)110 kV 電纜終端為對象進行系列試驗, 參照 《電氣設(shè)備X 射線數(shù)字成像檢測與診斷》 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn), 以電壓參數(shù)為例, 試驗電壓從90 kV 至 140 kV 增加, 每 10 kV 作一次試驗, 管電流恒定為3 mA, 焦距恒定為1.3 m。

圖2 給出了不同電壓條件下該110 kV 電纜接頭內(nèi)銅導(dǎo)體的成像圖, 結(jié)果表明, 110 kV電壓試驗條件下的對比度最高。

圖2 不同電壓試驗條件下銅導(dǎo)體的成像圖

2 故障案例分析

2.1 電纜故障情況介紹

2020 年 3 月 19 日, 某 110 kV 電纜線路差動保護動作跳閘, 故障相為B 相, 故障電流51.599 A,TA 變比600/5, 保護測距0.258 km, 無負(fù)荷損失。

故障巡視發(fā)現(xiàn)距離220 kV 變電站600 m 處電纜B 相本體擊穿, 本體外護層約1.2 m 有明顯灼燒痕跡, 灼燒中間部位有明顯擊穿小孔, 查找全線其他部位未發(fā)現(xiàn)異常, 如圖3、4 所示。

圖3 電纜護層絕緣灼燒痕跡

圖4 電纜本體擊穿點

通過對護套的檢查, 發(fā)現(xiàn)燒損部位均集中在鋁護套波谷位置, 呈明顯非圓周性燒損, 如圖 5所示。

故障分析表明, 該次故障原因為電纜外半導(dǎo)電層與金屬護套的間隙過大, 鋁護套對外半導(dǎo)電層放電, 造成外半導(dǎo)電層和主絕緣表面被灼傷, 半導(dǎo)電層產(chǎn)生貫穿性損傷, 帶隱患運行后導(dǎo)致主絕緣發(fā)生擊穿, 引起線路跳閘。

2.2 電纜故障隱患特征分析

為了深入分析故障的原因, 對故障處電纜進行了解剖, 發(fā)現(xiàn)該故障電纜本體絕緣外屏蔽層、緩沖層、金屬護層有不連續(xù)的白色燒蝕痕跡, 部分燒蝕痕跡已接近貫穿損傷外屏蔽層, 如圖6、7 所示。

圖6 半導(dǎo)電緩沖帶隱患點

圖7 半導(dǎo)電層隱患點

2.3 電纜故障隱患X 射線檢測分析

針對本次電纜故障, 將隱患點所在電纜截段取樣, 采用X 射線無損檢測技術(shù)對隱患點進行檢測分析。

表1 電纜故障隱患X 射線檢測參數(shù)

試驗發(fā)現(xiàn), 入射X 光射線與電纜缺陷所在切面的相對角度也是影響檢測結(jié)果的重要參數(shù)。從不同角度入射的檢測結(jié)果, 如圖8 所示。

圖8 不同入射角度X 射線檢測圖像

圖8 是電纜纜芯的X 射線檢測圖像, 中間白色發(fā)亮的部分 (灰度值較低) 為電纜導(dǎo)體, 外圈較白部分為電纜主絕緣 (灰度值較高), 故障隱患點在主絕緣的下端部分。電纜導(dǎo)體是銅質(zhì)金屬, 對X 射線吸收能力最強, 在平板探測器上顯示的灰度值最低；電纜主絕緣是交聯(lián)聚乙烯, 對X 射線吸收能力最低, 平板探測器上顯示的灰度值最高；隱患點處由于化學(xué)等原因的腐蝕后產(chǎn)生的粉末中含少量金屬, 對X 射線吸收能力在導(dǎo)體和絕緣之間。因此, X 射線檢測后能清晰地區(qū)分、電纜導(dǎo)體、主絕緣與隱患點。試驗表明, 從45°角入射可以獲得較為清晰的分辨效果。

為還原電纜真實結(jié)構(gòu), 將鋁護套嵌套于電纜纜芯外部, 如圖9 所示。

圖9 故障電纜X 射線檢測圖像

由圖9 可知, 電纜鋁護套可以在檢測圖中清楚地辨別。一方面, 雖然鋁護套的存在對隱患點的檢測具有較強的干擾作用, 但是依舊可以通過設(shè)置合理的曝光參數(shù), 對故障隱患點進行檢測識別。另一方面, 受試驗所用設(shè)備性能限制, 未能得到更清晰的檢測結(jié)果, 不過可以通過改善數(shù)字X 射線設(shè)備性能來彌補, 如采用分辨率更高的平板探測器, 可以提高檢測結(jié)果的清晰度和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

通過分析數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)的應(yīng)用特點, 針對110 kV 電纜故障案例, 利用數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)對電纜缺陷進行了檢測和分析, 得到了以下結(jié)論:

1) 數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)可以很好地實現(xiàn)對電纜故障隱患點的檢測和排查；

2) 數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)必須設(shè)置合理的管電壓、管電流、曝光時間等參數(shù), 才能取得較好的檢測效果；

3) 入射X 光射線與電纜缺陷所在切面的相對角度也是影響檢測結(jié)果的重要參數(shù), 在實際檢測過程中, 需要多角度調(diào)整拍攝方向, 實現(xiàn)對故障隱患點的檢測和排查；

4) 電纜鋁護套對隱患點檢測識別具有一定的干擾作用, 可以通過改善數(shù)字X 射線設(shè)備性能,如采用分辨率更高的平板探測器, 提高檢測結(jié)果的清晰度和準(zhǔn)確性。

數(shù)字X 射線無損檢測技術(shù)在多行業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用, 具有良好的實踐基礎(chǔ)。將X 射線無損檢測技術(shù)應(yīng)用在電纜隱患檢測排查工作中, 可以填補電纜隱患無損檢測技術(shù)的空白。試驗表明, 采用數(shù)字X 射線無損檢測方法能夠有效地對電纜缺陷進行識別檢測, 因此推薦將X 射線無損檢測技術(shù)應(yīng)用于電纜缺陷的快速精準(zhǔn)查找和定位。