X射線成像技術(shù)在電纜及附件缺陷探測方面的應(yīng)用

原佳亮，陳佳，王驍?shù)?/p>

（國網(wǎng)上海市電力公司電纜分公司，上海 200072）

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，電力電纜越來越多地運(yùn)用到生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，用電部門對電力系統(tǒng)的供電可靠性提出了更高的要求，一旦發(fā)生供電故障，將會(huì)造成巨大的損失，而高壓電力電纜作為城市輸電的主力軍，其日常運(yùn)行狀態(tài)也直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的供電可靠性。

目前，國內(nèi)市場電纜及附件廠家眾多，其電纜結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝及安裝工藝繁雜，為電纜質(zhì)量帶來了較大隱患。

上海高壓電纜運(yùn)行狀態(tài)檢測主要采用定期停電檢修、帶電檢測、在線監(jiān)測等手段。

隨著城市電纜化率的提升，定期檢修的試驗(yàn)方式存在著一定的缺陷，除了需要停電進(jìn)行試驗(yàn)外，還會(huì)消耗大量的人力和物力，并且容易存在漏檢及檢修過于頻繁的情況。同時(shí)，由于電力電纜在正常環(huán)境中的使用壽命預(yù)計(jì)為20～30年，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，如今部分電纜及其附件已進(jìn)入預(yù)期壽命的 中老年期，增加了電纜的故障的潛在危險(xiǎn)和狀態(tài)檢修的頻繁性。

帶點(diǎn)檢測及在線監(jiān)測手段主要有紅外測溫及局部放電檢測等。

一方面，紅外測溫能夠在設(shè)備不停電的情況下發(fā)現(xiàn)電纜及附件的異常發(fā)熱點(diǎn)，但其精度和可靠性往往容易受大氣、測試背景、物體輻射率、距離系數(shù)、相鄰設(shè)備熱輻射、工作波長區(qū)域范圍及瞬時(shí)視場角等的影響，而且目前的紅外測溫儀器只能根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場的運(yùn)行情況作出測試判斷，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，更不能實(shí)現(xiàn)對未來設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)警；另一方面紅外測溫的準(zhǔn)確性還嚴(yán)重依賴于巡檢人員現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場判斷。

局部放電檢測手段作為高壓電纜及其附件絕緣狀況的檢測手段，一方面，某些缺陷并不一定存在局部放電情況；另一方面，該種檢測手段容易受到環(huán)境干擾的影響較大，而干擾信號(hào)的分辨，不僅涉及信號(hào)頻譜，還依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)，尤其在線局放監(jiān)測困難更大。

另外，某些運(yùn)行狀態(tài)良好的電纜可能存在家族性缺陷。

針對上述問題，本文提出可以采用X射線成像檢測技術(shù)，并將其作為帶電檢測、在線監(jiān)測及某些可能存在家族性缺陷電纜的輔助檢測手段，用以確診電纜缺陷。

X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)能在電纜不解體的情況下，對電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像檢測，能夠直觀地發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)部缺陷情況，包括電纜內(nèi)部的氣孔、雜質(zhì)等缺陷，目前，該技術(shù)已在部分電力系統(tǒng)設(shè)備檢測中取得了應(yīng)用成果。

本文以高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例，首先，對完好電纜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并與X射線成像結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證該技術(shù)還原電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確程度，最后，通過實(shí)例說明X射線成像檢測技術(shù)在電纜缺陷探測方面的應(yīng)用可行性。

1 高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜X射線成像原理及效果

X射線與自然光并沒有本質(zhì)的區(qū)別，都屬于電磁波，只是X射線的光量子的能量遠(yuǎn)大于可見光，它能夠穿透可見光不能穿透的物體，X射線在穿透不同的物體時(shí)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而強(qiáng)度變化，我們采用感光材料該強(qiáng)度變化信號(hào)后，經(jīng)信號(hào)處理形成我們常見的影像。

對于物體局部存在的缺陷，X射線將改變物體對其的衰減，引起透射射線強(qiáng)度的變化，這樣，采用一定的檢測方法，如利用膠片感光或者平板探測器，來檢測透射線強(qiáng)度，就可以判斷是否存在缺陷以及缺陷的位置、大小等。X射線成像原理如圖1所示。

圖1 X射線成像原理

高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜是一種多層疊加的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，相對較為規(guī)則，且每層材料各異。因此，當(dāng)X射線徑向通過電纜時(shí)，由于各層對射線的衰減能力以及透照厚度均存在差異，造成其在底片上性能灰度不一的影像。

檢測時(shí)，射線源與探測器安裝在活動(dòng)支架上，移動(dòng)到檢測的設(shè)備對象上，射線源的射線口要對準(zhǔn)探測器，探測器將穿過高壓電纜設(shè)備的射線場強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)以圖像的形式再現(xiàn)，利用專用圖像處理與判讀軟件，實(shí)現(xiàn)不同方位下高壓電纜設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和缺陷的快速透視成像，以及高壓電纜設(shè)備結(jié)構(gòu)信息與質(zhì)量狀態(tài)的分析。圖1中拍攝過程中DR板經(jīng)充分的曝光，可形成豐富的灰度信息，方便采用圖像增強(qiáng)算法對拍攝的X射線原始圖像進(jìn)行分析，通過對原始圖像進(jìn)行灰度變換、直方圖修正、Butterworth高通濾波、銳化和邊緣查找等操作，使原始圖像中不易被人眼所察覺的細(xì)節(jié)顯現(xiàn)出來，供試驗(yàn)人員分析判斷制定檢修計(jì)劃。

以一根完好高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜為例，圖2為理想狀態(tài)下X射線檢測圖，圖3則為實(shí)際X射線成像效果圖。

圖2 高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜理想X射線成像圖

圖3 高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜實(shí)際X射線成像圖

對比上述兩幅圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X射線徑向透過電力電纜時(shí)，其成像能夠還原電纜結(jié)構(gòu)，在不剖解電纜的情況下，能夠幫助作業(yè)人員有效發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)部缺陷等各類情況。

2 X射線成像技術(shù)在高壓電力電纜故障檢測方面的應(yīng)用

2.1 X射線成像檢測技術(shù)在高壓電纜家族性缺陷方面的應(yīng)用

上海地區(qū)在某年一年內(nèi)連續(xù)發(fā)現(xiàn)3起電纜故障，經(jīng)故障解剖分析，3起故障均為同一廠家同一批次電纜制造原因，由電纜金屬護(hù)套與電纜外半導(dǎo)電層的長期接觸不良引起放電發(fā)熱，最終導(dǎo)致電纜擊穿，為了避免故障再次發(fā)生，對該廠家的供貨清單進(jìn)行核對，發(fā)現(xiàn)另外13回與該故障電纜相同緩沖層結(jié)構(gòu)的電纜線路。

針對這一問題進(jìn)行故障反措，針對上述13回電纜采用X射線成像檢測技術(shù)，檢測結(jié)果共發(fā)現(xiàn)3回與故障電纜相同白斑缺陷。圖4為故障電纜白斑缺陷，圖5為采用X射線成像檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)電纜缺陷。

圖4 某高壓電纜白斑缺陷

圖5 某高壓電纜家族性缺陷采用X成像檢測技術(shù)檢測結(jié)果

對比上述兩幅圖可以發(fā)現(xiàn)，X射線成像檢測技術(shù)對于電纜結(jié)構(gòu)還原程度較高，能夠有效檢測電纜家族性缺陷。

2.2 X射線成像檢測技術(shù)作為局放檢測輔助手段方面的應(yīng)用

上海地區(qū)發(fā)現(xiàn)某110kV電纜線路的GIS某相終端存在疑似局放信號(hào)，為了對該電纜進(jìn)行缺陷確診，對其進(jìn)行X射線成像，現(xiàn)場拍攝成像板及射線源位置如圖6所示。

圖6中黃圈標(biāo)注處從左至右依次為成像板及攝像源。拍攝過程中，射線源采用160kV的管電壓和3mA的管電流，通過對拍攝的X射線原始圖像進(jìn)行分析，灰度窗寬均在50000以上，說明DR板經(jīng)過了充分的曝光，保留了豐富的灰度信息；對原始圖像進(jìn)行灰度變換、直方圖修正、Butterworth高通濾波、銳化，獲得的拍攝圖像可以清楚看到GIS內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖7即為局部進(jìn)行成像圖放大。

圖6 某110kV電纜GIS終端X射線成像現(xiàn)場拍攝圖

圖7 某110kV電纜GIS終端X射線成像局部放大圖

對照高壓電力電纜結(jié)構(gòu)圖分析可以發(fā)現(xiàn)，該110kV電纜線路GIS終端內(nèi)部金屬屏蔽網(wǎng)存在結(jié)構(gòu)不均或殘缺部位。

3 結(jié)語

本文首先分析了目前高壓電纜常用的的狀態(tài)檢測方法，并針對其不足提出了可以采用X射線成像檢測技術(shù)作為高壓電纜帶電檢測、在線監(jiān)測及電纜家族性缺陷等的輔助檢測手段，通過分析X射線成像原理，并以某完好高壓交聯(lián)聚乙烯電力電纜為例，對比分析其理想成像圖及實(shí)際成像圖，表明其能夠完全還原電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最后，本文以兩個(gè)上海地區(qū)應(yīng)用實(shí)例表明X射線成像檢測技術(shù)在高壓電纜及附件缺陷探測方面的可行性。